Пульсари можуть змушувати темну матерію світитися, кажуть дослідники

Міжнародна команда астрофізиків показала, що якщо темна матерія складається з частинок, відомих як аксіони, то вона могла б проявляти себе у вигляді ледь помітного додаткового світіння, яке виходить від зір, що пульсують.

Про це розповідають в Амстердамському університеті, передають OstanniPodii.com.

Результати дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters.

Темна матерія, можливо, є найбільш шуканою складовою нашого Всесвіту. Дивно, але як передбачається, ця загадкова та досі не знайдена форма матерії становить величезну частину того, що існує.

Передбачається, що щонайменше 85% матерії у Всесвіті є "темною", яка наразі помітна тільки за гравітаційним тяжінням, 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 неї на основі гравітаційних ефектів. І, звичайно ж, вони хочуть знати, що це таке.

Усунення двох проблем

Ясно одне: темна матерія не може бути тією ж матерією, з якої складаємося ми з вами. Якби це було так, то темна матерія просто поводилася б як звичайна — утворювала б об′єкти, подібні до зірок, світилася б і перестала бути "темною". Тому вчені шукають щось нове — тип частинок, який поки що ніхто не виявив та який, імовірно, дуже слабо взаємодіє з відомими нам типами частинок, що пояснює, чому ця складова нашого світу досі залишалася невловною.

Є багато підказок, де потрібно шукати. Одне з популярних припущень полягає у тому, що темна матерія може складатися з аксіонів. Цей гіпотетичний тип частинок був уперше представлений у 1970-х роках для розв′язання проблеми, що не має стосунку до темної матерії. З′ясувалося, що поділ позитивних і негативних зарядів усередині нейтрона, одного з будівельних блоків звичайних атомів, несподівано малий. Вчені, звісно, захотіли дізнатися, чому.

Виявилося, що саме такий ефект може викликати присутність досі не виявленого типу частинок, які дуже слабо взаємодіють зі складовими частинами нейтрона. Пізніше лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек вигадав назву для нової частинки: аксіон — не тільки схожу на інші назви частинок, такі як протон, нейтрон, електрон і фотон, а й навіяну однойменним пральним порошком. Аксіон ніби для того, щоб очиститися від цієї проблеми.

Насправді попри те, що він так і не був виявлений, він може усунути дві проблеми. Кілька теорій елементарних частинок, включно з теорією струн, однією з провідних теорій-кандидатів на об′єднання всіх сил у природі, як виявилося, пророкують можливість існування аксіоноподібних частинок. Якщо аксіони справді існують, чи можуть вони також становити частину або навіть усю відсутню темну матерію? Можливо, але додаткове питання, яке переслідує всі дослідження темної матерії, однаковою мірою стосується й аксіонів: якщо це так, то як ми можемо їх побачити? Як зробити щось "темне" видимим?

Новини за подібною темою:

		Навколо Чумацького Шляху виявлено дивну зоряну систему
		Нове дослідження показує, що нашому Всесвіту не обов′язкова темна матерія
		Астрономи встановили вплив темної матерії на еволюцію галактик

Пролиття світла на темну матерію

На щастя, схоже, що для аксіонів може бути знайдено вихід із цього скрутного становища. Якщо теорії, що пророкують аксіони, є вірними, то очікується не тільки їхнє масове продукування у Всесвіті, а й перетворення деяких аксіонів на світло в присутності сильних електромагнітних полів. Як тільки з′являється світло, ми можемо бачити. Чи може це бути ключем до виявлення аксіонів, а отже, і до виявлення темної матерії?

Щоб відповісти на це запитання, вчені спочатку вдалися в питання, де у Всесвіті існують найсильніші з відомих електричних і магнітних полів. Відповідь: в областях, що оточують обертові нейтронні зорі, відомі також як пульсари. Пульсари — це щільні об′єкти, маса яких приблизно така сама, як у нашого Сонця, але радіус у 100 000 разів менший — всього близько 10 км. Разом з тим, що настільки малі, пульсари обертаються з величезною частотою, випускаючи яскраві вузькі промені радіовипромінювання вздовж осі обертання. Подібно до маяка, промені пульсара можуть проноситися над Землею, роблячи пульсуючу зорю легко спостережуваною.

Однак значне обертання пульсара робить більше. Він перетворює нейтронну зорю на надзвичайно сильний електромагніт. Це, своєю чергою, може означати, що пульсари є дуже ефективними аксіонними фабриками. Щосекунди середній пульсар здатний виробляти 50-значне число аксіонів. Через сильне електромагнітне поле навколо пульсара частина цих аксіонів може перетворитися на спостережуване світло. Тобто — якщо аксіони взагалі існують — тепер механізм може бути використаний для відповіді саме на це питання. Досить поглянути на пульсари, подивитися, чи випромінюють вони додаткове світло, і якщо так, то визначити, чи може це додаткове світло виходити від аксіонів.

Симуляція надслабкого світіння

Як завжди в науці, провести таке спостереження на практиці, звісно, не так просто. Світло, що випромінюється аксіонами, яке можна виявити у вигляді радіохвиль, становитиме лише малу частину всього світла, яке посилають нам ці яскраві космічні маяки. Потрібно дуже точно знати, який вигляд мав би пульсар без аксіонів і який вигляд мав би пульсар з аксіонами, щоб побачити різницю, не кажучи вже про те, щоб кількісно оцінити цю різницю та перетворити її на вимірювання кількості темної матерії.

Саме це і вдалося зробити групі фізиків та астрономів. Спільними зусиллями вчених з Нідерландів, Португалії та США було побудовано всебічну теоретичну схему, що дає змогу детально зрозуміти, як утворюються аксіони, як аксіони вислизають від гравітаційного тяжіння нейтронної зорі та як під час своєї втечі вони перетворюються на низькоенергетичне радіовипромінювання.

Отримані теоретичні результати були потім перенесені на комп′ютер для моделювання утворення аксіонів навколо пульсарів за допомогою сучасних чисельних симуляторів плазми, які спочатку були розроблені для розуміння фізики випромінювання радіохвиль пульсарами. Після віртуального утворення аксіонів було змодельовано їхнє поширення через електромагнітні поля нейтронної зорі. Це дало змогу дослідникам кількісно зрозуміти подальше виробництво радіохвиль і змоделювати, як цей процес забезпечить додатковий радіосигнал до власного випромінювання, що генерується самим пульсаром.

Випробування аксіонних моделей

Потім результати теорії та моделювання були піддані першій спостережній перевірці. Використовуючи спостереження за 27 прилеглими пульсарами, дослідники порівняли спостережувані радіохвилі з моделями, щоб з′ясувати, чи може будь-яке виміряне перевищення слугувати доказом існування аксіонів. На жаль, відповідь була негативною, або, якщо говорити більш оптимістично: "поки що ні". Аксіони не одразу впадають в око, але, можливо, цього й не слід було очікувати. Якби темна матерія так легко видавала свої секрети, її б уже давно спостерігали.

Тому надія на те, що аксіони вдасться виявити, покладається на майбутні спостереження. Тим часом нинішнє неспостереження радіосигналів від аксіонів саме по собі є цікавим результатом. Перше порівняння моделювання та реальних пульсарів дало змогу встановити найсуворіші на сьогодні обмеження на взаємодію аксіонів зі світлом.

Звичайно, кінцева мета — не просто встановити обмеження, а щоб або показати, що аксіони існують, або переконатися, що ймовірність того, що аксіони взагалі є складовою частиною темної матерії, вкрай мала. Отримані результати — лише перший крок у цьому напрямку; це тільки початок того, що може стати абсолютно новою міждисциплінарною сферою, здатною значно просунути пошуки аксіонів.

• Темна матерія
• Пульсари