23.10.2024. - Облака аксионов окружают нейтронные звезды

Облака аксионов окружают нейтронные звезды

Команда физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда показала, что чрезвычайно легкие частицы, известные как аксионы, могут встречаться в больших облаках вокруг нейтронных звезд. Эти аксионы могли бы послужить объяснением неуловимой темной материи, которую ищут космологи, и, более того, их было бы не так уж трудно наблюдать.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review X и является продолжением предыдущей работы, в которой авторы также изучали аксионы и нейтронные звезды, но с совершенно другой точки зрения.

Если в своей предыдущей работе они исследовали аксионы, которые покидают нейтронную звезду, то теперь исследователи сосредоточились на тех, которые остаются позади — аксионах, захваченных гравитацией звезды. Со временем эти частицы должны постепенно образовывать туманное облако вокруг нейтронной звезды, и оказывается, что такие аксионные облака вполне могут наблюдаться в наши телескопы. Но почему астрономы и физики так интересуются туманными облаками вокруг далеких звезд?

Аксионы: от мыла до темной материи

Протоны, нейтроны, электроны, фотоны — большинству из нас знакомы названия, по крайней мере, некоторых из этих крошечных частиц. Аксион менее известен, и на то есть веская причина: на данный момент это всего лишь гипотетический тип частиц, который еще никто не обнаружил.

Названный в честь марки мыла, он был впервые предложен в 1970—х годах, чтобы устранить проблему — отсюда и название мыла - в нашем понимании одной из частиц, которую мы могли наблюдать очень хорошо: нейтрона. Однако, хотя теоретически это очень хорошо, если бы эти аксионы существовали, они были бы чрезвычайно легкими, что затрудняло бы их обнаружение в экспериментах или наблюдениях.

Сегодня аксионы также известны как перспективный кандидат на объяснение темной материи, одной из самых больших загадок современной физики. Множество различных свидетельств свидетельствуют о том, что примерно 85% вещества, содержащегося в нашей Вселенной, является "темным", что просто означает, что оно не состоит ни из одного типа материи, который мы знаем и можем наблюдать в настоящее время.

Вместо этого о существовании темной материи можно судить лишь косвенно, по гравитационному воздействию, которое она оказывает на видимую материю. К счастью, это не означает автоматически, что темная материя вообще не взаимодействует с видимой материей, но если такие взаимодействия и существуют, их сила обязательно невелика. Как следует из названия, любого жизнеспособного кандидата в темную материю, таким образом, невероятно трудно наблюдать непосредственно.

Сопоставив одно с другим, физики поняли, что аксион может быть именно тем, что они ищут для решения проблемы темной материи. Частица, которая еще не наблюдалась, была бы чрезвычайно легкой и имела бы очень слабые взаимодействия с другими частицами.… могут ли аксионы быть хотя бы частью объяснения темной материи?

Нейтронные звезды как увеличительные стекла

Идея аксиона как частицы темной материи хороша, но в физике идея по-настоящему хороша только в том случае, если она имеет наблюдаемые последствия. Есть ли способ наблюдать аксионы, спустя пятьдесят лет после того, как впервые было высказано предположение об их возможном существовании?

Ожидается, что аксионы при воздействии электрических и магнитных полей способны превращаться в фотоны — частицы света — и наоборот. Свет - это то, что мы умеем наблюдать, но, как уже упоминалось, сила соответствующего взаимодействия должна быть очень мала, а следовательно, и количество света, которое обычно излучают аксионы. Это так, если только не рассматривать среду, содержащую действительно огромное количество аксионов, в идеале в очень сильных электромагнитных полях.

Это побудило исследователей рассмотреть нейтронные звезды, самые плотные из известных звезд нашей Вселенной. Эти объекты имеют массу, аналогичную массе нашего Солнца, но сжатые в звезды размером от 12 до 15 километров.

Такие экстремальные плотности создают не менее экстремальную среду, которая, в частности, содержит огромные магнитные поля, в миллиарды раз более мощные, чем те, которые мы наблюдаем на Земле. Недавние исследования показали, что если аксионы существуют, то эти магнитные поля позволяют нейтронным звездам массово производить эти частицы вблизи своей поверхности.

Те, что остаются позади

В своей предыдущей работе авторы сосредоточились на аксионах, которые после образования покидали звезду, — они рассчитали количество, в котором эти аксионы будут образовываться, по каким траекториям они будут двигаться и как их преобразование в свет может привести к слабому, но потенциально наблюдаемому сигналу.

На этот раз они рассматривают аксионы, которым не удается вырваться на свободу — те, которые, несмотря на свою крошечную массу, попадают под действие огромной гравитации нейтронной звезды.

Из-за очень слабых взаимодействий аксиона эти частицы останутся поблизости и в течение миллионов лет будут накапливаться вокруг нейтронной звезды. Это может привести к образованию очень плотных облаков аксионов вокруг нейтронных звезд, что открывает невероятные новые возможности для исследования аксионов.

В своей статье исследователи изучают формирование, а также свойства и дальнейшую эволюцию этих аксионных облаков, указывая на то, что они должны и во многих случаях просто обязаны существовать.

Фактически, авторы утверждают, что если аксионы существуют, то аксионные облака должны быть универсальными (для широкого спектра аксионных свойств они должны образовываться вокруг большинства, возможно, даже всех нейтронных звезд), они должны быть в целом очень плотными (образуя плотность, возможно, на двадцать порядков превышающую локальную плотность темной материи), и из-за этого они должны привести к мощным наблюдательным признакам.

Последние потенциально бывают разных типов, из которых авторы обсуждают два: непрерывный сигнал, испускаемый в течение большей части времени жизни нейтронной звезды, а также разовая вспышка света в конце жизни нейтронной звезды, когда она перестает производить свое электромагнитное излучение. Обе эти характеристики могут быть обнаружены и использованы для изучения взаимодействия между аксионами и фотонами, выходящего за рамки существующих возможностей, даже с помощью существующих радиотелескопов.

Что дальше?

Хотя до сих пор аксионных облаков обнаружено не было, благодаря новым результатам мы очень точно знаем, что искать, что делает тщательный поиск аксионов намного более осуществимым. Таким образом, хотя основным пунктом в списке дел является "поиск аксионных облаков", эта работа также открывает несколько новых теоретических направлений для изучения.

Во-первых, один из авторов уже участвует в последующей работе, которая изучает, как аксионные облака могут изменять динамику самих нейтронных звезд. Еще одним важным направлением будущих исследований является численное моделирование аксионных облаков: настоящая статья демонстрирует большой потенциал для открытия, но требуется больше численного моделирования, чтобы еще точнее знать, что искать и где.

Наконец, все представленные результаты относятся к одиночным нейтронным звездам, но многие из этих звезд появляются как компоненты двойных систем — иногда вместе с другой нейтронной звездой, иногда вместе с черной дырой. Понимание физики аксионных облаков в таких системах и, возможно, понимание сигналов их наблюдений было бы очень ценным.

Таким образом, настоящая работа является важным шагом в новом и захватывающем направлении исследований. Для полного понимания аксионных облаков потребуются дополнительные усилия представителей различных отраслей науки, включая физику элементарных частиц (астрофизику), физику плазмы и наблюдательную радиоастрономию.

Эта работа открывает новую междисциплинарную область с множеством возможностей для будущих исследований.

Источник