Physical Review Letters: Астрофизики открыли новый способ поиска темной материи

Главный вопрос в продолжающихся поисках темной материи — из чего она состоит? Один из возможных ответов заключается в том, что темная материя состоит из частиц, известных как аксионы.

Группа астрофизиков под руководством исследователей из университетов Амстердама и Принстона показала, что если темная материя состоит из аксионов, то она может проявлять себя в виде едва заметного дополнительного свечения, исходящего от пульсирующих звезд.

Темная материя, возможно, является самой искомой 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. Предполагается, что не менее 85% материи во Вселенной является «темной», которая в настоящее время заметна только по гравитационному притяжению, оказываемому ею на другие астрономические объекты. Понятно, что ученые хотят большего. Они хотят действительно увидеть темную материю — или, по крайней мере, непосредственно обнаружить ее присутствие, а не просто сделать вывод о ней на основе гравитационных эффектов. И, конечно же, они хотят знать, что это такое.

Устранение двух проблем

Ясно одно: темная материя не может быть такой же материей, из которой состоим мы с вами. Если бы это было так, то темная материя просто вела бы себя как обычная — образовывала бы объекты типа звезд, светилась и перестала бы быть «темной». Поэтому ученые ищут нечто новое — тип частиц, который пока никто не обнаружил и который, вероятно, очень слабо взаимодействует с известными нам типами частиц, что объясняет, почему эта составляющая нашего мира до сих пор оставалась неуловимой.

Есть много подсказок, где искать. Одно из популярных предположений 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 отношения к темной материи. Оказалось, что разделение положительных и отрицательных зарядов внутри нейтрона, одного из строительных блоков обычных атомов, неожиданно мало. Ученые, конечно, захотели узнать, почему. Оказалось, что именно такой эффект может вызывать присутствие до сих пор не обнаруженного типа частиц, очень слабо взаимодействующих с составными частями нейтрона. Позднее нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек придумал название для новой частицы: аксион — не только по аналогии с другими названиями частиц, такими как протон, нейтрон, электрон и фотон, но и по мотивам одноименного стирального порошка. Аксион был создан для того, чтобы устранить проблему.

На самом деле, несмотря на то, что он так и не был обнаружен, он может устранить две. Несколько теорий элементарных частиц, включая теорию струн, одну из ведущих теорий-кандидатов на объединение всех сил в природе, как оказалось, предсказывают возможность существования аксионоподобных частиц. Если аксионы действительно существуют, могут ли они также составлять часть или даже всю недостающую темную материю? Возможно, но дополнительный вопрос, который преследует все исследования темной материи, в равной степени относится и к аксионам: если это так, то как мы можем их увидеть? Как сделать что-то  «темное» видимым?

Свет на темную материю

К счастью, похоже, что для аксионов можно найти выход из этой головоломки. Если теории, предсказывающие аксионы, верны, то ожидается, что они не только будут массово производиться во Вселенной, но и некоторые аксионы смогут превращаться в свет в присутствии сильных электромагнитных полей. Как только появляется свет, мы можем видеть. Может ли это быть ключом к обнаружению аксионов — а значит, и к обнаружению темной материи?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые сначала задались вопросом, где во Вселенной существуют самые сильные из известных электрических и магнитных полей. Ответ: в областях, окружающих вращающиеся нейтронные звезды, известные также как пульсары. Пульсары — сокращение от «пульсирующие звезды» — представляют собой плотные объекты, масса которых примерно такая же, как у нашего Солнца, но радиус в 100 000 раз меньше, всего около 10 км. Будучи такими маленькими, пульсары вращаются с огромной частотой, испуская яркие узкие лучи радиоизлучения вдоль оси вращения. Подобно маяку, лучи пульсара могут проноситься над Землей, делая пульсирующую звезду легко наблюдаемой.

Однако огромное вращение пульсара делает нечто большее. Он превращает нейтронную звезду в чрезвычайно сильный электромагнит. Это, в свою очередь, может означать, что пульсары являются очень эффективными аксионными фабриками. Каждую секунду средний пульсар способен производить 50-значное число аксионов. Из-за сильного электромагнитного поля вокруг пульсара часть этих аксионов может превратиться в наблюдаемый свет. То есть: если аксионы вообще существуют — но теперь механизм может быть использован для ответа именно на этот вопрос. Достаточно взглянуть на пульсары, посмотреть, излучают ли они дополнительный свет, и если да, то определить, может ли этот дополнительный свет исходить от аксионов.

Моделирование тонкого свечения

Как всегда в науке, провести такое наблюдение на практике, конечно, не так просто. Свет, излучаемый аксионами, который можно обнаружить в виде радиоволн, будет составлять лишь малую часть всего света, который посылают нам эти яркие космические маяки. Нужно очень точно знать, как выглядел бы пульсар без аксионов и как выглядел бы пульсар с аксионами, чтобы увидеть разницу, не говоря уже о том, чтобы количественно оценить эту разницу и превратить ее в измерение количества темной материи.

Именно это и удалось сделать группе физиков и астрономов. Совместными усилиями ученых из Нидерландов, Португалии и США была построена всеобъемлющая теоретическая схема, позволяющая детально понять, как образуются аксионы, как аксионы ускользают от гравитационного притяжения нейтронной звезды и как во время своего бегства они превращаются в низкоэнергетическое радиоизлучение.

Полученные теоретические результаты были затем перенесены на компьютер для моделирования образования аксионов вокруг пульсаров с помощью современных численных симуляторов плазмы, которые изначально были разработаны для понимания физики излучения радиоволн пульсарами. После виртуального образования аксионов было смоделировано их распространение через электромагнитные поля нейтронной звезды. Это позволило исследователям количественно понять последующее производство радиоволн и смоделировать, как этот процесс обеспечит дополнительный радиосигнал к собственному излучению, генерируемому самим пульсаром.

Испытание аксионных моделей

Затем результаты теории и моделирования были подвергнуты первой наблюдательной проверке. Используя наблюдения 27 близлежащих пульсаров, исследователи сравнили наблюдаемые радиоволны с моделями, чтобы выяснить, может ли какое-либо измеренное превышение служить доказательством существования аксионов. К сожалению, ответ был «нет» — или, возможно, более оптимистично: „пока нет“. Аксионы не сразу бросаются в глаза, но, возможно, этого и не следовало ожидать. Если бы темная материя так легко выдавала свои секреты, ее бы уже давно наблюдали.

Поэтому надежда на то, что аксионы удастся обнаружить, возлагается на будущие наблюдения. Между тем нынешнее ненаблюдение радиосигналов от аксионов само по себе является интересным результатом. Первое сравнение моделирования и реальных пульсаров позволило установить самые строгие на сегодняшний день ограничения на взаимодействие аксионов со светом.

Конечно, конечная цель состоит не только в том, чтобы установить ограничения, но и в том, чтобы либо показать, что аксионы существуют, либо убедиться, что вероятность того, что аксионы вообще являются составной частью темной материи, крайне мала. Полученные результаты — лишь первый шаг в этом направлении; это только начало того, что может стать совершенно новой междисциплинарной областью, способной значительно продвинуть поиск аксионов.

06.10.2023