Введение
Группа физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда продемонстрировала, что чрезвычайно лёгкие частицы, известные как аксионы, могут существовать в больших облаках вокруг нейтронных звёзд. Эти аксионы могут служить объяснением существования неуловимой тёмной материи, которую ищут космологи, и, более того, их, возможно, не так уж сложно обнаружить.
На прошлой неделе в журнале Physical Review X было опубликовано новое исследование, которое является продолжением предыдущей работы, в которой авторы также изучали аксионы и нейтронные звёзды, но с другой точки зрения. В предыдущей работе они исследовали аксионы, которые вылетают из нейтронной звезды, а теперь учёные сосредоточились на тех, которые остаются вблизи и притягиваются гравитацией звезды. Со временем эти частицы должны постепенно образовать облако вокруг нейтронной звезды. На поверку оказалось так, что такие аксионные облака вполне можно наблюдать в наши телескопы. Но почему астрономов и физиков в принципе так интересуют туманные облака вокруг далёких звёзд?
Аксионы: от порошка до тёмной материи
Протоны, нейтроны, электроны, фотоны — большинство из нас знакомо с названиями хотя бы некоторых из этих крошечных частиц. Аксион менее известен, и на то есть веская причина: на данный момент это лишь гипотетический тип частиц, который ещё никто не обнаружил. Впервые существование аксионов, названных в честь марки стирального порошка, было предположено в 1970-х годах, чтобы устранить проблему (отсюда и отсылка по поводу порошка) в нашем понимании одной из частиц, которую мы могли хорошо наблюдать: нейтрона. Однако, несмотря на то, что теоретически аксионы идеально вписываются в решение проблемы, сами по себе они должны быть чрезвычайно лёгкими, что затруднило бы их обнаружение в ходе экспериментов или наблюдений.
Сегодня аксионы также известны как наиболее вероятная частица для объяснения тёмной материи — одной из величайших загадок современной физики. Множество различных свидетельств указывают на то, что примерно 85% материи в нашей Вселенной является «тёмной». Это означает, что она не состоит из какого-либо известного нам типа материи, который мы можем наблюдать в настоящее время. Вместо этого о существовании тёмной материи можно судить лишь косвенно по её гравитационному влиянию на видимую материю. К счастью, это не означает, что тёмная материя вообще не взаимодействует с видимой материей, но если такие взаимодействия существуют, то их сила обязательно будет незначительной. Как следует из названия, любую жизнеспособную частицу, подходящую на роль тёмной материи, невероятно трудно наблюдать напрямую.
Сложив одно с другим, физики поняли, что аксион может быть именно тем, что они ищут для решения проблемы тёмной материи. Частица, которая ещё не была обнаружена, чрезвычайно лёгкая и обладающая очень слабыми взаимодействиями с другими частицами. Могут ли аксионы быть хотя бы частью объяснения тёмной материи?
Нейтронные звёзды как естественные лаборатории
Идея аксиона как частицы тёмной материи хороша, но в физике идея хороша только в том случае, если у неё есть наблюдаемые последствия. Удастся ли в конце концов наблюдать аксионы спустя пятьдесят лет после того, как впервые было предложено их возможное существование?
Ожидается, что под воздействием электрических и магнитных полей аксионы смогут превращаться в фотоны — частицы света — и наоборот. Свет — это то, что мы можем наблюдать, но, как уже упоминалось, соответствующая сила взаимодействия должна быть очень слабой, а значит, и количество света, которое обычно производят аксионы, будет небольшим. Но это истинно, если не рассматривать среду, содержащую действительно большое количество аксионов, как, например, область с очень сильными электромагнитными полями.
Это привело исследователей к изучению нейтронных звёзд — самых плотных известных звёзд в нашей Вселенной. Эти объекты имеют массу, сравнимую с массой нашего Солнца, но сжаты в звёзды размером от 12 до 15 километров. Такая экстремальная плотность создаёт не менее экстремальную среду, которая, в частности, обладает мощными магнитными полями, в миллиарды раз более сильными, чем те, что мы наблюдаем на Земле. Недавние исследования показали, что если аксионы существуют, то эти магнитные поля позволяют нейтронным звёздам массово производить эти частицы вблизи своей поверхности.
В своей предыдущей работе авторы сосредоточились на аксионах, которые после образования покидают звезду. Они рассчитали, в каком количестве будут образовываться эти аксионы, 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 удаётся покинуть звезду, — те, которые, несмотря на свою крошечную массу, притягиваются огромной гравитацией нейтронной звезды.
Из-за очень слабых взаимодействий аксионов эти частицы будут оставаться вокруг нейтронной звезды и в течение миллионов лет накапливаться вокруг неё. Это может привести к образованию очень плотных облаков аксионов вокруг нейтронных звёзд, что открывает невероятные новые возможности для их исследования. В своей статье исследователи изучают формирование, а также свойства и дальнейшую эволюцию этих облаков из аксионов, отмечая, что они не просто должны существовать, а во многих случаях и обязаны существовать. На самом деле, авторы утверждают, что если аксионы существуют, то аксионные облака должны быть универсальными (при широком спектре свойств аксионов они должны формироваться вокруг большинства, а возможно, и всех нейтронных звёзд), они должны быть очень плотными (их плотность может быть на двадцать порядков выше, чем плотность локальной тёмной материи), и из-за этого они должны оставлять мощные наблюдаемые следы. Последние потенциально могут быть разных типов, из которых авторы выделяют два: непрерывный сигнал, испускаемый в течение большей части жизни нейтронной звезды, а также единичный световой импульс в конце жизни нейтронной звезды, когда она перестаёт испускать электромагнитное излучение. Оба этих сигнала можно наблюдать и использовать для изучения взаимодействия между аксионами и фотонами за пределами текущих возможностей, даже с помощью существующих радиотелескопов.
Что дальше?
Хотя до сих пор не было обнаружено ни одного аксионного облака, благодаря новым результатам мы точно знаем, что нужно искать. Таким образом, несмотря на то, что главным 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, в которой изучается, как аксионные облака могут влиять на динамику самих нейтронных звёзд. Ещё одним важным направлением будущих исследований является численное моделирование аксионных облаков: в этой статье показан большой потенциал для открытий, но необходимо провести больше численных расчётов, чтобы точнее понять, что и где искать. Наконец, все представленные результаты относятся к одиночным нейтронным звёздам, но многие из этих звёзд являются компонентами двойных систем — иногда вместе с другой нейтронной звездой, иногда вместе с чёрной дырой. Понимание физики аксионных облаков в таких системах и, возможно, понимание наблюдаемых сигналов 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 со стороны нескольких областей науки, включая физику элементарных частиц, физику плазмы и наблюдательную радиоастрономию. Эта работа открывает новую междисциплинарную область с множеством возможностей для будущих исследований.
Заключение
Исследование аксионных облаков вокруг нейтронных звёзд представляет собой перспективное направление, которое может привести к значительным прорывам в понимании тёмной материи и фундаментальных взаимодействий частиц. Новые результаты и теоретические разработки открывают широкие возможности для дальнейших исследований и экспериментов, которые могут подтвердить или опровергнуть существование аксионов и их роль в формировании космических структур.
