|
Пульсары могут заставить светиться темную материю
|
|
|
|
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 востребованной составляющей нашей Вселенной. Удивительно, но предполагается, что эта загадочная форма материи, которую физики и астрономы до сих пор не смогли обнаружить, составляет огромную часть того, что существует снаружи. 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 нем 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 эта составляющая нашего мира до сих пор остается неуловимой. Есть много подсказок, 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. Аксион был здесь, чтобы решить проблему.
|
|
|
Фактически, несмотря на то, что он никогда не был обнаружен, он может очистить два. 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 для аксионов есть выход из этой загадки. 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. Когда есть свет, мы можем видеть. 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 известные 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 проходить через Землю, что делает пульсирующую звезду легко наблюдаемой. Однако огромное вращение пульсара дает больше. Оно превращает нейтронную звезду в чрезвычайно сильный электромагнит. Это, в свою очередь, может означать, что пульсары являются очень эффективными 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. То есть, если аксионы вообще существуют, но теперь этот механизм можно использовать, чтобы ответить именно на этот вопрос. Просто посмотрите на пульсары, посмотрите, излучают ли они дополнительный свет, и если да, то определите, может ли этот дополнительный свет исходить от аксионов.
|
|
|
|
Как всегда в науке, на самом деле провести такое наблюдение, конечно, не так просто. Свет, излучаемый аксионами, который можно обнаружить в виде радиоволн, будет составлять лишь небольшую часть общего 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. иметь значение. 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.
|
|
|
|
Затем теоретические результаты были перенесены на компьютер для моделирования образования аксионов вокруг пульсаров с использованием современного численного моделирования плазмы, которое изначально было разработано для понимания физики, лежащей в основе того, как пульсары излучают радиоволны. После виртуального создания было смоделировано распространение аксионов через электромагнитные поля нейтронной звезды. Это позволило исследователям количественно понять последующее производство радиоволн и смоделировать, как этот процесс обеспечит дополнительный радиосигнал помимо собственного излучения, генерируемого самим пульсаром. Результаты теории и моделирования затем 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. Конечно, конечная цель — не просто установить ограничения, а либо показать, что аксионы существуют, либо убедиться, что крайне маловероятно, что аксионы вообще являются составной частью темной материи. Новые результаты — лишь первый шаг в этом направлении; они являются лишь началом того, что может стать совершенно новой и междисциплинарной областью, которая потенциально может значительно продвинуть поиск аксионов.
|
|
|
|
Источник
|
