Свидетельства существования долгожданной гипотетической частицы могли все это время прятаться на виду у обычного (рентгеновского) поля зрения.
Ученые продемонстрировали, что рентгеновское излучение, исходящее от группы нейтронных звезд, известных как Великолепная семерка, настолько велико, что может исходить от аксионов, давно предсказанных частиц, выкованных в плотных ядрах этих мертвых объектов.
Если их выводы подтвердятся, это открытие может помочь разгадать некоторые загадки физической Вселенной, включая природу таинственной темной материи, которая удерживает все это воедино.
«Обнаружение аксионов было одним из основных направлений физики частиц высоких энергий, как в теории, так и в экспериментах», - сказал астроном Раймонд Ко из Университета Миннесоты.
«Мы думаем, что аксионы могут существовать, но мы еще не открыли их. Вы можете думать об аксионах как о частицах-призраках. Они могут находиться где угодно во Вселенной, но они не сильно взаимодействуют с нами, поэтому у нас нет никаких наблюдений. их пока нет ".
Аксионы - это гипотетические частицы со сверхмалой массой, впервые возникшие в 1970-х годах для решения вопроса о том, почему сильные атомные силы следуют так называемой симметрии зарядовой четности, хотя большинство моделей говорят, что в этом нет необходимости.
Аксионы предсказываются многими моделями теории струн - предлагаемым решением противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой - и аксионы определенной массы также являются сильными кандидатами на темную материю. Итак, у ученых есть ряд действительно веских причин искать их.
Если они существуют, ожидается, что аксионы будут рождаться внутри звезд. Эти звездные аксионы не то же самое, что аксионы темной материи, но их существование подразумевает существование других видов аксионов.
Один из способов поиска аксионов - поиск избыточного излучения. Ожидается, что аксионы распадутся на пары фотонов в присутствии магнитного поля, поэтому, если в области, где ожидается этот распад, будет обнаружено больше электромагнитного излучения, чем должно быть, это может свидетельствовать о наличии аксионов.
В этом случае избыточное жесткое рентгеновское излучение - это именно то, что астрономы обнаружили, глядя на Великолепную семерку.
Эти нейтронные звезды - коллапсирующие ядра мертвых массивных звезд, погибших в результате взрыва сверхновой - не сгруппированы в группу, а имеют ряд общих черт. Все они - изолированные нейтронные звезды примерно среднего возраста, через несколько сотен тысяч лет после звездной смерти.
Все они охлаждают, при этом испуская (мягкое) рентгеновское излучение низкой энергии. Все они обладают сильными магнитными полями, в триллионы раз сильнее, чем у Земли, достаточно мощными, чтобы вызвать распад аксиона. И все они относительно близко, в пределах 1500 световых лет от Земли.
Это делает их отличной лабораторией для поиска аксионов, и когда группа исследователей, возглавляемая старшим автором и физиком Бенджамином Сафди из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, изучила Великолепную семерку с помощью нескольких телескопов, они определили высокоэнергетический (жесткий) X -лучевого излучения не ожидается для нейтронных звезд этого типа.
Однако в космосе существует множество процессов, которые могут производить излучение, поэтому команде пришлось тщательно изучить другие потенциальные источники излучения. Например, пульсары излучают жесткое рентгеновское излучение; но другие виды излучения пульсаров, такие как радиоволны, отсутствуют в Великолепной семерке.
Другая возможность состоит в том, что неразрешенные источники около нейтронных звезд могут производить жесткое рентгеновское излучение. Но наборы данных из двух разных космических рентгеновских обсерваторий - XMM-Newton и Chandra - показали, что излучение исходит от нейтронных звезд. Команда обнаружила, что сигнал не может быть результатом скопления мягкого рентгеновского излучения.
«Мы совершенно уверены, что это превышение существует, и очень уверены, что среди этого избытка есть что-то новое», - сказал Сафди. «Если бы мы были на 100 процентов уверены, что то, что мы видим, - это новая частица, это было бы огромно. Это было бы революцией в физике».
Это не значит, что избыток - это новая частица. Это мог быть ранее неизвестный астрофизический процесс. Или это может быть что-то простое, например, артефакт от телескопов или обработки данных.
«Мы еще не утверждаем, что открыли аксион, но мы говорим, что дополнительные рентгеновские фотоны можно объяснить аксионами», - сказал Ко. «Это захватывающее открытие избытка рентгеновских фотонов, и это захватывающая возможность, которая уже согласуется с нашей интерпретацией аксионов».
Следующим шагом будет попытка проверить находку. Если избыток генерируется аксионами, то большая часть излучения должна испускаться с более высокими энергиями, чем XMM-Newton и Chandra способны обнаружить. Команда надеется использовать новый телескоп NASA NuSTAR для наблюдения за Великолепной семеркой в более широком диапазоне длин волн.
Намагниченные белые карлики могут быть еще одним местом для поиска аксионного излучения. Как и «Великолепная семерка», эти объекты обладают сильными магнитными полями и не должны давать жесткого рентгеновского излучения.
«Если мы увидим избыток рентгеновских лучей и там, то это становится довольно убедительным, - сказал Сафди.
Исследование было опубликовано в https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.021102.