Пульсари можуть змушувати темну матерію світитися

Центральне питання в триваючих полюваннях на темну матерію: з чого вона складається? Однією з можливих відповідей є те, що темна матерія складається з частинок, відомих як аксіони. Команда астрофізиків, очолювана дослідниками з університетів Амстердама та Прінстона, тепер показала, що якщо темна матерія складається з аксіонів, вона може виявитися у вигляді тонкого додаткового світіння, що виходить від пульсуючих зірок. Їхня робота опублікована в журналі Physical Review Letters.

Темна матерія може бути найбільш затребуваною складовою нашого Всесвіту. Дивно, але вважається, що ця загадкова форма матерії, яку фізики та астрономи досі не змогли виявити, становить величезну частину того, що існує.

Вважається, що не менше 85% матерії у Всесвіті є «темною», яка зараз помітна лише завдяки гравітаційному тяжінню, яке вона чинить на інші астрономічні об’єкти. Зрозуміло, що вчені хочуть більшого. Вони хочуть дійсно побачити темну матерію — або принаймні безпосередньо виявити її присутність, а не просто зробити висновок про це через гравітаційні ефекти. І, звичайно, вони хочуть знати, що це таке.

Очищення двох проблем

Ясно одне: темна матерія не може бути тим самим типом матерії, з якого ми з вами складаємося. Якби це було так, темна матерія просто поводилася б як звичайна матерія — вона б утворювала такі об’єкти, як зірки, світилася і більше не була б «темною». Тому вчені шукають щось нове — тип частинок, які ще ніхто не виявив і які, ймовірно, дуже слабко взаємодіють із типами частинок, які ми знаємо, пояснюючи, чому ця складова нашого світу досі залишалася невловимою.

Є багато підказок, де шукати. Одне з популярних припущень полягає в тому, що темна матерія може складатися з аксіонів. Цей гіпотетичний тип частинок вперше був представлений у 1970-х роках для вирішення проблеми, яка не мала нічого спільного з темною матерією. Поділ позитивних і негативних зарядів всередині нейтрона, одного з будівельних блоків звичайних атомів, виявився несподівано малим. Вчені, звичайно, хотіли знати, чому.

Виявилося, що наявність досі невиявленого типу частинок, які дуже слабо взаємодіють зі складовими нейтрона, може викликати саме такий ефект. Пізніший лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек придумав назву для нової частинки: аксіон — не лише схожу на інші назви частинок, як-от протон, нейтрон, електрон і фотон, але й натхненну однойменним пральним засобом. Axion був там, щоб прибрати проблему.

Фактично, незважаючи на те, що його ніколи не було виявлено, він може очистити два. Кілька теорій елементарних частинок, включаючи теорію струн, одну з провідних теорій-кандидатів на об’єднання всіх сил у природі, здавалося, передбачають, що аксіоноподібні частинки можуть існувати. Якби аксіони дійсно були там, чи могли б вони також становити частину або навіть всю відсутню темну матерію? Можливо, але додаткове питання, яке не давало спокою всім дослідженням темної матерії, було так само актуальним для аксіонів: якщо так, то як ми можемо їх побачити? Як зробити видимим щось «темне»?

Освітлення темної матерії

На щастя, здається, що для аксіонів може бути вихід із цієї загадки. Якщо теорії, які передбачають аксіони, правильні, очікується, що вони не тільки будуть масово вироблятися у Всесвіті, але деякі аксіони також можуть перетворюватися на світло в присутності сильних електромагнітних полів. Коли є світло, ми можемо бачити. Чи може це бути ключем до виявлення аксіонів — і, отже, до виявлення темної матерії?

Щоб відповісти на це питання, вченим спочатку потрібно було запитати себе, де у Всесвіті виникають найсильніші відомі електричні та магнітні поля. Відповідь така: в областях навколо обертових нейтронних зірок, також відомих як пульсари. Ці пульсари — скорочення від «пульсуючих зірок» — це щільні об’єкти, маса яких приблизно така ж, як у нашого Сонця, але радіус приблизно в 100 000 разів менший, лише близько 10 км. Бувши настільки малими, пульсари обертаються з величезною частотою, випромінюючи яскраві вузькі пучки радіовипромінювання вздовж осі свого обертання. Подібно до маяка, промені пульсара можуть охоплювати Землю, завдяки чому пульсуючу зірку можна легко спостерігати.

Однак величезне обертання пульсара робить більше. Він перетворює нейтронну зірку на надзвичайно сильний електромагніт. Це, своєю чергою, може означати, що пульсари є дуже ефективними фабриками аксіонів. Кожну секунду середній пульсар був би здатний виробляти 50-значне число аксіонів. Через сильне електромагнітне поле навколо пульсара частка цих аксіонів може перетворитися на спостережене світло. Тобто: якщо аксіони взагалі існують, але цей механізм тепер можна використовувати для відповіді саме на це запитання. Просто подивіться на пульсари, подивіться, чи випромінюють вони додаткове світло, і якщо випромінюють, визначте, чи може це додаткове світло надходити від аксіонів.

Імітація тонкого світіння

Як завжди в науці, фактично виконати таке спостереження, звичайно, не так просто. Світло, випромінюване аксіонами, яке можна виявити у вигляді радіохвиль, становитиме лише невелику частку загального світла, яке ці яскраві космічні маяки посилають нам. Треба дуже точно знати, як би виглядав пульсар без аксіонів і як би виглядав пульсар з аксіонами, щоб мати можливість побачити різницю, не кажучи вже про те, щоб кількісно визначити цю різницю та перетворити її на вимірювання кількості темного світла. справа.

Саме це зараз зробила команда фізиків і астрономів. Спільними зусиллями Нідерландів, Португалії та США команда створила всеосяжну теоретичну основу, яка дозволяє детально зрозуміти, як утворюються аксіони, як аксіони виходять з-під гравітації нейтронної зірки та як під час їх виходу, вони перетворюються в радіовипромінювання низької енергії.

Теоретичні результати потім помістили на комп’ютер, щоб змоделювати утворення аксіонів навколо пульсарів, використовуючи сучасне чисельне моделювання плазми, яке спочатку було розроблено для розуміння фізики того, як пульсари випромінюють радіохвилі. Після віртуального створення було змодельовано поширення аксіонів через електромагнітні поля нейтронної зірки. Це дозволило дослідникам кількісно зрозуміти подальше виробництво радіохвиль і змоделювати, як цей процес забезпечить додатковий радіосигнал на вершині внутрішнього випромінювання, створюваного самим пульсаром.

Тестування аксіонних моделей

Потім результати теорії та моделювання були піддані першому тесту спостережень. Використовуючи спостереження за 27 найближчими пульсарами, дослідники порівняли спостережувані радіохвилі з моделями, щоб побачити, чи може якесь виміряний надлишок надати докази існування аксіонів. На жаль, відповідь була «ні» або, можливо, більш оптимістично: «ще ні». Аксіони не відразу вискакують нам, але, можливо, цього не слід було очікувати. Якби темна матерія так легко розкрила свої таємниці, її б уже давно спостерігали.

Таким чином, надія на виявлення аксіонів за допомогою димової зброї тепер покладена на майбутні спостереження. Тим часом поточне не спостереження радіосигналів від аксіонів є цікавим результатом саме по собі. Перше порівняння між моделюванням і реальними пульсарами встановило найсильніші на сьогодні обмеження на взаємодію аксіонів зі світлом.

Звичайно, кінцева мета полягає в тому, щоб зробити більше, ніж просто встановити обмеження: це або показати, що аксіони є, або переконатися, що аксіони є складовою темної матерії взагалі малоймовірно. Нові результати є лише першим кроком у цьому напрямку; вони є лише початком того, що може стати абсолютно новою та надзвичайно міждисциплінарною сферою, яка має потенціал для різкого просування пошуків аксіонів. Джерело