Открытия в обломках сталкивающихся нейтронных звезд
Слияния нейтронных звезд являются кладезем новых физических сигналов, имеющих значение для определения истинной природы темной материи, согласно исследованию Вашингтонского университета в Сент-Луисе. 17 августа 2017 года лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в Соединенных Штатах и детектор Virgo в Италии зафиксировали гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Впервые это астрономическое событие было не только услышано в гравитационных волнах, но и замечено в свете десятками телескопов на земле и в космосе. Физик Бхупал Дев из Arts & Sciences использовал наблюдения этого слияния нейтронных звезд — события, обозначенного в астрономических кругах как GW170817, — чтобы вывести новые ограничения на аксионоподобные частицы. Эти гипотетические частицы не наблюдались непосредственно, но они появляются во многих расширениях стандартной модели физики.
Аксионы и аксионоподобные частицы являются ведущими кандидатами на составление части или всей "недостающей" материи, или темной материи, Вселенной, которую ученые пока не смогли объяснить. По крайней мере, эти слабо взаимодействующие частицы могут служить своего рода порталом, соединяющим видимый сектор, о котором люди много знают, с неизвестным темным сектором Вселенной. "У нас есть веские основания подозревать, что новая физика, выходящая за рамки стандартной модели, может скрываться буквально за углом", - сказал Дев, первый автор исследования в Physical Review Letters и научный сотрудник Центра космических наук Макдоннелла при университете. Когда две нейтронные звезды сливаются, на короткий период времени образуется горячий, плотный остаток. Этот остаток является идеальной питательной средой для производства экзотических частиц, сказал Дев. "Остаток становится намного горячее отдельных звезд примерно на секунду, прежде чем превратиться в более крупную нейтронную звезду или черную дыру, в зависимости от первоначальной массы", - сказал он.
Эти новые частицы незаметно покидают обломки столкновения и вдали от своего источника могут распадаться на известные частицы, обычно фотоны. Дев и его команда, в том числе выпускник WashU Стивен Харрис (ныне научный сотрудник NP3M в Университете Индианы), а также Жан-Франсуа Фортен, Кувер Синха и Юнчао Чжан, показали, что эти вырвавшиеся частицы порождают уникальные электромагнитные сигналы, которые могут быть обнаружены гамма-телескопами, такими как Ферми НАСА-LAT. Исследовательская группа проанализировала спектральную и временную информацию, полученную из этих электромагнитных сигналов, и определила, что они могут отличить сигналы от известного астрофизического фона. Затем они использовали данные Fermi-LAT для GW170817, чтобы вывести новые ограничения на аксионно-фотонную связь в зависимости от массы аксиона. Эти астрофизические ограничения дополняют те, которые вытекают из лабораторных экспериментов, таких как ADMX, который исследует другую область пространства параметров аксиона.
В будущем ученые могли бы использовать существующие космические телескопы гамма-излучения, такие как Fermi-LAT, или предлагаемые миссии по гамма-излучению, такие как телескоп Advanced Particle-astrophysics Telescope (APT) под руководством WashU, для проведения других измерений во время столкновений нейтронных звезд и помочь улучшить их понимание аксионоподобных частиц. "Экстремальные астрофизические условия, такие как слияния нейтронных звезд, открывают новые возможности в наших поисках частиц темного сектора, таких как аксионы, которые могут содержать ключ к пониманию недостающих 85% всей материи во Вселенной", - сказал Дев.
