|
Умирающие звезды помогут разгадать тайны темной материи
|
|
|
|
Новое исследование, проведенное Калифорнийским университетом в Беркли, предполагает, что следующая ближайшая сверхновая может не только осветить наше небо, но и пролить свет на неуловимую природу темной материи благодаря гипотетической частице, известной как аксион.
|
|
|
|
“Если бы мы увидели сверхновую, подобную сверхновой 1987А, с помощью современного гамма-телескопа, мы смогли бы обнаружить или исключить этот КХД—аксион, этот наиболее интересный аксион, на большей части его пространства параметров - по сути, на всем пространстве параметров, которое невозможно исследовать в лаборатории, и большая часть пространства параметров также может быть исследована в лаборатории”, - говорится в пресс-релизе доктора Бенджамина Сафди, адъюнкт-профессора физики Калифорнийского университета в Беркли и ведущего автора исследования. “И все это произошло бы в течение 10 секунд”.
|
|
|
|
Исследователи представили свои выводы в статье, недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
Сверхновые: космический фейерверк
|
|
|
|
В спокойных просторах космоса сверхновые - это космические фейерверки, знаменующие окончание жизни звезды. Но они также могут быть жизненно важны для понимания одного из самых неуловимых явлений во Вселенной - темной материи.
|
|
|
|
|
|
|
Исследователи из Центра теоретической физики Беркли предложили революционный способ использования звездных взрывов в качестве лабораторий для обнаружения аксионов — гипотетических частиц, которые могут раскрыть фундаментальные тайны космоса.
|
|
|
|
Впервые теоретизированные в 1970-х годах для решения “проблемы сильного СР” в физике элементарных частиц, аксионы с тех пор стали ведущим кандидатом на роль темной материи, невидимого вещества, которое, как считается, составляет около 85% массы Вселенной. В отличие от обычной материи, темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет, что, как известно, затрудняет ее изучение.
|
|
|
|
Если они существуют, аксионы могли бы восполнить этот пробел. Считается, что они слабо взаимодействуют с другими частицами, что позволяет им избегать плотных сред, таких как ядра звезд. Однако их едва заметное взаимодействие с магнитными полями может выявить их присутствие в виде обнаруживаемых гамма-лучей.
|
|
Взгляд на сверхновую 1987А
|
|
|
|
В этом недавнем исследовании ученые из Беркли вновь обратились к сверхновой 1987A, самой близкой к наблюдаемой сверхновой в современной истории. Этот звездный взрыв, расположенный в Большом Магеллановом облаке, предоставил бесценные данные о нейтрино — призрачных частицах, которые позволили понять внутреннюю природу этого события. Однако в то время не было обнаружено никаких сигналов гамма-излучения, связанных с аксионами.
|
|
|
|
Используя усовершенствованное моделирование и обновленные астрофизические модели, исследователи продемонстрировали, что аксионы могут генерировать гамма-лучи, обнаруживаемые современными или будущими приборами.
|
|
|
|
Магнитные поля звезд—прародителей — тех, которые в конечном итоге взрываются как сверхновые, - играют решающую роль. Если аксионы образуются в коллапсирующем ядре умирающей звезды, они могут взаимодействовать с этими магнитными полями, создавая сигналы гамма-излучения, прежде чем ударная волна взрыва изменит структуру звезды.
|
|
|
|
“Это действительно навело нас на мысль о том, что нейтронные звезды являются оптимальными объектами для поиска аксионов в качестве аксионных лабораторий”, - сказал доктор Сафди. “Нейтронные звезды обладают множеством преимуществ. Это чрезвычайно горячие объекты. Они также обладают очень сильными магнитными полями”.
|
|
|
|
“Самые сильные магнитные поля в нашей Вселенной наблюдаются вокруг нейтронных звезд, таких как магнетары, магнитные поля которых в десятки миллиардов раз сильнее, чем у всего, что мы можем создать в лаборатории. Это помогает преобразовать эти аксионы в наблюдаемые сигналы”.
|
|
|
|
Поскольку в нашей галактике примерно раз в столетие появляется одна сверхновая, следующее событие может произойти в любое время. Исследователи из Беркли подчеркивают необходимость создания надежной инфраструктуры наблюдений, чтобы воспользоваться этой редкой возможностью.
|
|
|
|
Предлагаемое ими решение? Сеть гамма-телескопов, обеспечивающих непрерывный обзор всего неба, получила название GALAXIS project. Этот амбициозный проект позволит обнаруживать гамма-всплески, вызванные аксионами, в режиме реального времени, обеспечивая беспрецедентную чувствительность к аксионным сигналам.
|
|
Гамма-телескопы
|
|
|
|
“Я думаю, что все мы, пишущие в этой статье, обеспокоены тем, что может произойти следующая вспышка сверхновой, прежде чем у нас появятся необходимые приборы”, - сказал доктор Сафди. “Было бы очень жаль, если бы завтра вспыхнула сверхновая и мы упустили возможность обнаружить аксион — он может не появиться еще 50 лет”.
|
|
|
|
“Без новых приборов возможность исследовать КХД-аксионы с помощью гамма-наблюдений следующего галактического SN почти наверняка будет утрачена, поскольку событие, скорее всего, не получит заблаговременного предупреждения”, - пишут исследователи. - Таким образом, мы предлагаем сеть гамма-телескопов во все небо, которую мы называем GALactic AXion Instrument for Supernova”.
|
|
|
|
Выводы исследования выходят далеко за рамки физики элементарных частиц. Подтвердив существование аксионов, ученые могли бы по-новому взглянуть на темную материю и ее роль во Вселенной. Более того, аксионы также могут дать представление о фундаментальных силах, формирующих космос, в том числе о тех, которые описываются квантовой хромодинамикой (КХД).
|
|
|
|
Проект GALAXIS мог бы дополнить другие экспериментальные усилия по обнаружению аксионов, такие как Международная обсерватория Axion (IAXO) и эксперимент по изучению темной материи Axion (ADMX). В совокупности эти инициативы могли бы уточнить параметры массы аксиона и силы связи, сузив область поиска этих неуловимых частиц.
|
|
|
|
“Кажется почти невозможным создать согласованную теорию гравитации в сочетании с квантовой механикой, в которой не было бы частиц, подобных аксиону", - пояснил доктор Сафди.
|
|
|
|
Обнаружение аксионов остается сложной задачей. Для обнаружения слабых сигналов, предсказанных теоретическими моделями, требуются самые современные приборы с беспрецедентной чувствительностью. Кроме того, астрофизические факторы неопределенности, такие как сила и конфигурация магнитных полей звезд-предшественников, усложняют анализ.
|
|
|
|
Тем не менее, команда из Беркли настроена оптимистично. Их прогнозы предполагают, что даже при наличии современных гамма-обсерваторий, таких как большой зональный телескоп "Ферми", следующая галактическая сверхновая может предоставить важные данные для обнаружения аксионов или дальнейшего определения их свойств.
|
|
|
|
“Наилучший сценарий для аксионов - это если Ферми столкнется со сверхновой. Просто вероятность этого невелика”, - сказал доктор Сафди. “Но если бы Ферми увидел это, мы смогли бы измерить его массу. Мы смогли бы измерить силу его взаимодействия. Мы смогли бы определить все, что нам нужно знать об аксионе, и мы были бы невероятно уверены в сигнале, потому что нет обычной материи, которая могла бы создать такое событие”.
|
|
Следующий золотой век открытий?
|
|
|
|
Слияние астрофизики и физики элементарных частиц ведет к золотому веку открытий, и, используя данные о насильственной гибели звезд, исследователи расширяют границы нашего понимания Вселенной.
|
|
|
|
Если аксионы будут обнаружены, это ознаменует собой сейсмический сдвиг в физике, который даст ответы на вопросы, озадачивавшие ученых на протяжении десятилетий.
|
|
|
|
В конечном счете, когда мы ожидаем следующего космического взрыва, становится ясно одно: Вселенная — это не просто сцена для небесных явлений, это лаборатория, изобилующая возможностями для исследования неизведанного.
|
|
|
|
Независимо от того, являются ли аксионы частью загадки темной материи или нет, сам поиск обещает раскрыть новые слои реальности, проливая свет не только на космос, но и на наше место в нем.
|
|
|
|
Источник
|
