Пульсары могут заставлять темную материю светиться, говорят исследователи

Международная команда астрофизиков показала, что если темная материя состоит из частиц, известных как аксионы, то она могла бы проявлять себя в виде едва заметного дополнительного свечения, которое исходит от пульсирующих звезд.

Об этом рассказывают в Амстердамском университете, передают OstanniPodii.com.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Темная материя, возможно, является наиболее искомой составляющей нашей Вселенной. Удивительно, но как предполагается, эта загадочная и до сих пор не найденная форма материи составляет огромную часть того, что существует.

Предполагается, что по меньшей мере 85% материи во Вселенной является "темной", которая пока заметна только по гравитационному притяжению, оказываемым ею на другие астрономические объекты. Понятно, что ученые хотят большего. Они хотят действительно увидеть темную материю — или по крайней мере непосредственно обнаружить её присутствие, а не просто сделать вывод о ней на основе гравитационных эффектов. И, конечно же, они хотят знать, что это такое.

Устранение двух проблем

Ясно одно: темная материя не может быть той же материей, из которой состоим мы с вами. Если бы это было так, то темная материя просто вела бы себя как обычная — образовывала бы объекты, подобные звездам, светилась бы и перестала быть "темной". Поэтому ученые ищут что-то новое — тип частиц, который пока никто не обнаружил и который, вероятно, очень слабо взаимодействует с известными нам типами частиц, что объясняет, почему эта составляющая нашего мира до сих пор оставалась неуловимой.

Есть много подсказок, где нужно искать. Одно из популярных предположений заключается в том, что темная материя может состоять из аксионов. Этот гипотетический тип частиц был впервые представлен в 1970-х годах для решения проблемы, не имеющей отношения к темной материи. Оказалось, что разделение положительных и отрицательных зарядов внутри нейтрона, одного из строительных блоков обычных атомов, неожиданно мало. Ученые, естественно, захотели узнать, почему.

Оказалось, что именно такой эффект может вызывать присутствие до сих пор не обнаруженного типа частиц, которые очень слабо взаимодействуют с составными частями нейтрона. Позже лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек придумал название для новой частицы: аксион — не только похожее на другие названия частиц, такие как протон, нейтрон, электрон и фотон, но и навеянное одноименным стиральным порошком. Аксион как будто для того, чтобы очиститься от этой проблемы.

На самом деле, несмотря на то, что он так и не был обнаружен, он может устранить две проблемы. Несколько теорий элементарных частиц, включая теорию струн, одну из ведущих теорий-кандидатов на объединение всех сил в природе, как оказалось, предсказывают возможность существования аксионоподобных частиц. Если аксионы действительно существуют, могут ли они также составлять часть или даже всю отсутствующую темную материю? Возможно, но дополнительный вопрос, который преследует все исследования темной материи, в равной степени касается и аксионов: если это так, то как мы можем их увидеть? Как сделать что-то "темное" видимым?

Пролитие света на темную материю

К счастью, похоже, что для аксионов может быть найден выход из этого затруднительного положения. Если теории, предсказывающие аксионы, верны, то ожидается не только их массовое продуцирование во Вселенной, но и превращение некоторых аксионов в свет в присутствии сильных электромагнитных полей. Как только появляется свет, мы можем видеть. Может ли это быть ключом к обнаружению аксионов, а следовательно, и к обнаружению темной материи?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые сначала задались вопросом, где во Вселенной существуют самые сильные из известных электрических и магнитных полей. Ответ: в областях, окружающих вращающиеся нейтронные звезды, известные также как пульсары. Пульсары — это плотные объекты, масса которых примерно такая же, как у нашего Солнца, но радиус в 100 000 раз меньше — всего около 10 км. Вместе с тем, что столь малы, пульсары вращаются с огромной частотой, испуская яркие узкие лучи радиоизлучения вдоль оси вращения. Подобно маяку, лучи пульсара могут проноситься над Землей, делая пульсирующую звезду легко наблюдаемой.

Однако значительное вращение пульсара делает больше. Он превращает нейтронную звезду в чрезвычайно сильный электромагнит. Это, в свою очередь, может означать, что пульсары являются очень эффективными аксионными фабриками. Каждую секунду средний пульсар способен производить 50-значное число аксионов. Из-за сильного электромагнитного поля вокруг пульсара часть этих аксионов может превратиться в наблюдаемый свет. То есть — если аксионы вообще существуют — теперь механизм может быть использован для ответа именно на этот вопрос. Достаточно взглянуть на пульсары, посмотреть, излучают ли они дополнительный свет, и если да, то определить, может ли этот дополнительный свет исходить от аксионов.

Симуляция сверхслабого свечения

Как всегда в науке, провести такое наблюдение на практике, конечно, не так просто. Свет, излучаемый аксионами, который можно обнаружить в виде радиоволн, будет составлять лишь малую часть всего света, который посылают нам эти яркие космические маяки. Нужно очень точно знать, как выглядел бы пульсар без аксионов и как выглядел бы пульсар с аксионами, чтобы увидеть разницу, не говоря уже о том, чтобы количественно оценить эту разницу и превратить её в измерение количества темной материи.

Именно это и удалось сделать группе физиков и астрономов. Совместными усилиями ученых из Нидерландов, Португалии и США была построена всесторонняя теоретическая схема, позволяющая детально понять, как образуются аксионы, как аксионы ускользают от гравитационного притяжения нейтронной звезды и как во время своего бегства они превращаются в низкоэнергетическое радиоизлучение.

Полученные теоретические результаты были затем перенесены на компьютер для моделирования образования аксионов вокруг пульсаров с помощью современных численных симуляторов плазмы, которые изначально были разработаны для понимания физики излучения радиоволн пульсарами. После виртуального образования аксионов было смоделировано их распространение через электромагнитные поля нейтронной звезды. Это позволило исследователям количественно понять дальнейшее производство радиоволн и смоделировать, как этот процесс обеспечит дополнительный радиосигнал к собственному излучению, генерируемому самим пульсаром.

Испытания аксионных моделей

Затем результаты теории и моделирования были подвергнуты первой наблюдательной проверке. Используя наблюдения за 27 близлежащими пульсарами, исследователи сравнили наблюдаемые радиоволны с моделями, чтобы выяснить, может ли какое-либо измеренное превышение служить доказательством существования аксионов. К сожалению, ответ был отрицательным, или, если говорить более оптимистично: "пока что нет". Аксионы не сразу бросаются в глаза, но, возможно, этого и не следовало ожидать. Если бы темная материя так легко выдавала свои секреты, ее бы уже давно наблюдали.

Поэтому надежда на то, что аксионы удастся обнаружить, возлагается на будущие наблюдения. Между тем нынешнее ненаблюдение радиосигналов от аксионов само по себе является интересным результатом. Первое сравнение моделирования и реальных пульсаров позволило установить самые строгие на сегодняшний день ограничения на взаимодействие аксионов со светом.

Конечно, конечная цель — не просто установить ограничения, а чтобы либо показать, что аксионы существуют, либо убедиться, что вероятность того, что аксионы вообще являются составной частью темной материи, крайне мала. Полученные результаты — лишь первый шаг в этом направлении; это только начало того, что может стать совершенно новой междисциплинарной областью, способной значительно продвинуть поиски аксионов.