Центральный вопрос в продолжающейся охоте за темной материей: из чего она состоит? Один из возможных ответов заключается в том, что темная материя состоит из частиц, известных как аксионы. Команда астрофизиков, возглавляемая исследователями из университетов Амстердама и Принстона, теперь показала, что, если темная материя состоит из аксионов, она может проявить себя в виде тонкого дополнительного свечения, исходящего от пульсирующих звезд. Их работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Темная материя может быть самой распространенной составляющей нашей Вселенной. Удивительно, но предполагается, что эта загадочная форма материи, которую физики и астрономы до сих пор не смогли обнаружить, составляет огромную часть.
Предполагается, что не менее 85% материи во Вселенной является «темной», и в настоящее время это заметно только по гравитационному притяжению, которое она оказывает на другие астрономические объекты. Понятно, что ученые хотят большего. Они хотят действительно увидеть темную материю — или, по крайней мере, обнаружить ее присутствие напрямую, а не просто сделать вывод о ней на основе гравитационных эффектов. И, конечно же: они хотят знать, что это такое.
Ясно одно: темная материя не может быть той же материей, из которой мы с вами состоим. Если бы это было так, темная материя просто вела бы себя как обычная материя — она формировала бы такие объекты, как звезды, светилась бы и больше не была бы «темной». Поэтому ученые ищут что-то новое — тип частиц, который еще никто не обнаружил и который, вероятно, очень слабо взаимодействует с известными нам типами частиц, что объясняет, почему темная материя до сих пор остается неуловимой.
Есть много идей, где искать. Одно популярное предположение состоит 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 ничего общего с темной материей. Разделение положительных и отрицательных зарядов внутри нейтрона, одного из строительных блоков обычных атомов, оказалось неожиданно малым. Ученые, конечно, хотели знать, почему.
Оказалось, что именно такой эффект могло вызвать присутствие до сих пор не обнаруженного типа частиц, очень слабо взаимодействующих с составляющими нейтрона. Позже лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек придумал название для новой частицы: аксион – оно не только похоже на названия других частиц, таких как протон, нейтрон, электрон и фотон, но и вдохновлено одноименным стиральным порошком.
Фактически, сам аксион так и не был обнаружен. Тем не менее несколько теорий элементарных частиц, включая теорию струн, одну из ведущих теорий-кандидатов на объединение всех сил в природе, похоже, предсказывают, что аксионоподобные частицы могут существовать.
Если бы аксионы действительно существовали, могли бы они также составлять часть или даже всю недостающую темную материю? Возможно, но дополнительный вопрос, который преследовал все исследования темной материи, был справедлив и для аксионов: если да, то как мы можем их увидеть? Как сделать что-то «темное» видимым?
К счастью, кажется, что есть ответ в этой загадке Вселенной. Если теории, предсказывающие аксионы, верны, ожидается, что они не только будут массово производиться во Вселенной, но и некоторые аксионы могут также превращаться в свет в присутствии сильных электромагнитных полей. Может ли это быть ключом к обнаружению аксионов и, следовательно, к обнаружению темной материи?
Чтобы ответить на этот вопрос, ученым сначала пришлось задать себе вопрос, где во Вселенной возникают самые сильные из известных электрических и магнитных полей. Ответ таков: в регионах, окружающих вращающиеся нейтронные звезды, также известных как пульсары. Эти пульсары — сокращение от «пульсирующие звезды» — представляют собой плотные объекты с массой примерно такой же, как у нашего Солнца, но радиусом примерно в 100 000 раз меньше, всего около 10 км. Будучи такими маленькими, пульсары вращаются с огромной частотой, испуская яркие узкие лучи радиоизлучения вдоль своей оси вращения. Подобно маяку, лучи пульсара могут достигать Земли, что делает пульсирующую звезду легко наблюдаемой.
Однако огромное вращение пульсара превращает нейтронную звезду в чрезвычайно сильный электромагнит. Это, в свою очередь, может означать, что пульсары являются очень производительными фабриками аксионов. Каждую секунду средний пульсар был бы способен производить 50-значное количество аксионов. Из-за сильного электромагнитного поля вокруг пульсара часть этих аксионов могла преобразоваться в наблюдаемый свет (если аксионы вообще существуют).
Но провести такое наблюдение, конечно, не так просто. Свет, излучаемый аксионами, который можно обнаружить в виде радиоволн, будет составлять лишь небольшую часть всего света, который посылают нам эти яркие космические маяки. Нужно очень точно знать, как будет выглядеть пульсар без аксионов и как будет выглядеть пульсар с аксионами, чтобы увидеть разницу, не говоря уже о том, чтобы количественно оценить эту разницу и превратить ее в измерение количества «темного света».
Именно это сейчас и сделала команда физиков и астрономов. Совместными усилиями Нидерландов, Португалии и США команда создала всеобъемлющую теоретическую основу, которая позволяет детально понять, как образуются аксионы, как аксионы преодолевают гравитационное притяжение нейтронной звезды и как во время их выхода , они преобразуются в низкоэнергетическое радиоизлучение.
Результаты теории и моделирования были подвергнуты первой наблюдательной проверке. Используя наблюдения 27 близлежащих пульсаров, исследователи сравнили наблюдаемые радиоволны с моделями, чтобы увидеть, может ли какое-либо измеренное превышение служить доказательством существования аксионов. К сожалению, ответ был «нет» — или, возможно, более оптимистично: «пока нет». Аксионы к нам не сразу выскакивают, но, пожалуй, этого и не следовало ожидать. Если бы темная материя так легко раскрыла свои тайны, ее уже давно бы заметили.
Таким образом, надежда на точное обнаружение аксионов теперь связана с будущими наблюдениями. Между тем, нынешнее ненаблюдение радиосигналов от аксионов само по себе является интересным результатом. Первое сравнение симуляций и реальных пульсаров установило самые строгие на сегодняшний день ограничения на взаимодействие аксионов со светом.
Больше информации: Dion Noordhuis et al, Novel Constraints on Axions Produced in Pulsar Polar-Cap Cascades, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.111004