Команда физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда представила доказательства того, что аксионы могут находиться вблизи нейтронных звёзд. Эти гипотетические частицы могли бы объяснить природу неуловимой тёмной материи, что давно ставит в тупик учёных-космологов, и, возможно, не так уж и трудно их обнаружить.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review X и представляют собой продолжение предыдущей работы исследователей, в рамках которой они изучали взаимодействие аксионов и нейтронных звёзд, но с иной точки зрения.
Ранее внимание было сконцентрировано на аксионах, покидающих пределы нейтронных звёзд. Новое исследование сосредоточено на тех, которые задерживаются около них — на аксионах, захватываемых гравитацией звезды. Со временем такие частицы могут формировать своеобразное «туманное облако» вокруг нейтронной звезды, которое, как выяснилось, можно наблюдать с помощью телескопов.
Аксионы в настоящее время рассматриваются как главный потенциальный кандидат в конкуренты на роль тёмной материи — одной из величайших неразгаданных тайн современной физики. Ряд различных данных указывают, что около 85% материи во Вселенной является «тёмной», то есть воспринимаемой лишь косвенно, через её гравитационное воздействие на видимую материю, но не поддающейся прямому наблюдению.
Под воздействием электрических и магнитных полей аксионы могут преобразовываться в фотоны и наоборот. Поскольку свет — это наблюдаемый нами феномен, теоретически мы могли бы фиксировать их превращение. Но сила взаимодействия крайне мала, а значит и количество производимого света, поэтому нужно наблюдать среду, насыщенную аксионами при сильных электромагнитных полях.
Именно поэтому исследователи обратились к нейтронным звёздам — наиболее плотным звёздным объектам, известным во Вселенной, масса которых схожа с солнечной, но сосредоточена в диаметре всего 12-15 километров. Эти колоссальные плотности создают экстремальные условия, включая невероятно мощные магнитные поля, в миллиарды раз сильнее земных.
Ранее внимание авторов было сосредоточено на аксионах, которые, сформировавшись, покидают зону звезды. Они просчитывали, сколько таких аксионов появляется, по каким траекториям они движутся и как их превращение в свет может вызвать видимый сигнал.
Однако сейчас исследователи изучили аксионы, которые остаются в орбите звезды, втянутые её гравитацией. В течение миллионов лет они будут накапливаться и формировать плотные облака вокруг нейтронных звёзд, что открывает новые перспективы для изучения.
В своей статье учёные рассмотрели процессы формирования, свойства и динамику эволюции этих облаков. Они предполагают, что такие аксионные облака должны быть обычны для многих нейтронных звёзд, вероятно, образуясь вокруг большинства из них и достигать значительной плотности. Это даёт возможность их наблюдения.
Исследователи выделили два основных типа сигналов: непрерывный, текущий в течение жизни нейтронной звезды, и единичная вспышка в конце её существования. Оба сигнала могут наблюдаться нынешними радиотелескопами для анализа взаимодействия аксионов и света.
Пока что аксионные облака не были обнаружены, но новое исследование задаёт конкретные критерии, упрощающие их поиск. Несмотря на это, работа также открывает новые теоретические направления.
Одним из них является исследование изменения динамики нейтронных звёзд под влиянием аксионных облаков. Другое направление — численное моделирование этих облаков, которое поможет конкретизировать, что и где искать.
Текущие исследования концентрируются на одиночных нейтронных звёздах, но многие из них являются частью двойных систем. Изучение аксионных облаков в таких системах окажется ценным для дальнейших наблюдений.
Эта работа открывает новую междисциплинарную область для будущих исследований. Как отметил один из авторов, «аксионные облака вблизи нейтронных звёзд предоставляют новый и захватывающий объект для изучения, что может помочь глубже понять природу тёмной материи и других ключевых вопросов современной физики».
Источник: iXBT
