В глубинах вселенной, далеко за пределами нашего понимания, лежат некоторые из самых загадочных тайн природы. Одна из этих тайн — темная материя — возможно, нашла себе неожиданного сообщника: плотные, коллапсировавшие остатки мертвых звезд.
Известные как нейтронные звезды, эти вращающиеся магнитные электростанции могут выбрасывать гипотетические частицы, называемые аксионами. Если это правда, эти частицы могут составлять таинственную темную материю Вселенной.
Группа физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда предположила, что аксионы могут образовывать плотные облака вокруг нейтронных звезд. Их выводы показывают, что эти «фабрики темной материи» могут при определенных условиях посылать аксионы каскадом в космос. И их сигналы могут быть слабо различимы как вспышки света. Это означает, что нейтронные звезды могут быть нашей лучшей ставкой для поиска неуловимых частиц темной материи.
Первоначально аксионы были теоретически разработаны для решения необъяснимых поведений в Стандартной модели физики элементарных частиц, в частности, нейтронов. С 1970-х годов их рассматривали как главных кандидатов на темную материю, наряду с другими теоретическими частицами, такими как WIMP и темные фотоны.
По словам Анирудха Прабху, исследователя из Принстона и соавтора исследования, аксионы могут превращаться в фотоны вблизи нейтронных звезд. Это явление называется эффектом Примакова , когда сильные магнитные поля облегчают эту трансформацию.
«Когда мы что-то видим, происходит следующее: электромагнитные волны (свет) отражаются от объекта и попадают в наши глаза», — сказал Прабху Gizmodo . «То, как мы «видим» аксионы, немного отличается». Аксионы не «отражают» свет в обычном смысле, но эффект Примакова позволяет им стать видимыми как свет при определенных условиях.
Некоторые нейтронные звезды, известные как магнетары, обладают одними из самых сильных магнитных полей во Вселенной. Это делает их особенно благоприятными для этих преобразований аксионов в свет. Но как бы убедительно ни звучал этот сценарий, обнаружение аксионов остается исключительно сложным. В отличие от видимого света, эти электромагнитные волны, рожденные аксионами, могут иметь длину волны от доли дюйма до более чем полумили. Атмосфера Земли блокирует многие из этих длинных волн, а это означает, что для обнаружения может потребоваться космический радиотелескоп.
Поиск аксионов вокруг нейтронных звезд — непростая задача. Никто не уверен, что они вообще существуют. И если они реальны, сигналы, которые они производят, слабы и требуют чувствительного специализированного оборудования. Некоторые ученые, например, физик-теоретик Бенджамин Сафди из Калифорнийского университета в Беркли, видят потенциал аксионов в экстремальных астрофизических условиях, но он отмечает предстоящие проблемы.
«Существует много неопределенностей, — сказал Сафди, — это не вина авторов; это просто сложная, динамичная проблема».
В качестве альтернативы аксионные облака могут выпустить внезапный всплеск света, когда нейтронная звезда достигает конца своей жизни. Такой процесс может занять триллионы лет, что делает невозможным наблюдение за ним в течение нашей жизни.
Тем не менее, несмотря на препятствия, исследование дает существенные ограничения на свойства аксиона, совершенствуя поиск этой неуловимой частицы и предоставляя дорожную карту для будущих исследований. Команда Прабху предполагает, что существующие радиотелескопы, при достаточном совершенствовании, могут улучшить чувствительность к обнаружению аксиона. Однако специализированная космическая радиообсерватория может значительно повысить наши шансы на обнаружение аксионов.
Предложения, такие как радиотелескоп Лунного кратера (LCRT) NASA , огромный радиотелескоп, который предполагается разместить на обратной стороне Луны, могут заполнить этот пробел. Такой инструмент может быть изолирован от помех со стороны Земли и обнаруживать длинноволновые сигналы, которые, как ожидается, будут испускать аксионы.
Хотя аксионы все еще остаются гипотезами, они, наконец, могут оказаться на пороге перехода от теоретических спекуляций к обнаруживаемой реальности. Как выразился Сафди, «Аксионы — одна из наших лучших ставок на новую физику… работа, подобная этой, может легко открыть путь к открытию».
Итак, в тихой темноте космоса нейтронные звезды продолжают свой танец, возможно, в компании неуловимых частиц темной материи. Если нам повезет, и если вселенная будет сотрудничать, то вскоре может проявиться проблеск этой темной тайны. И мы можем приблизиться на один шаг к пониманию невидимых лесов космоса.
Результаты были описаны в журнале Physical Review X.