Наконец-то мы знаем, где искать самую востребованную частицу во Вселенной

Нейтронные звезды, склонные к экстремальному вращению, могут производить одну из самых востребованных частиц во Вселенной.

Эти элементарные частицы называются аксионами, и на сегодняшний день они являются чисто гипотетическими. Однако если бы нам удалось их найти, мы могли бы решить некоторые из самых больших проблем в космосе, включая идентификацию хотя бы одного вида темной материи.

Эти быстро вращающиеся звезды должны быть настолько эффективны в улавливании аксионов, что неуловимые частицы могут быть изолированы в количествах, достаточных для их окончательного обнаружения. И это дало бы нам некоторые важные сведения о природе и свойствах аксиона, таких как его масса.

Астрономы искали подсказки об аксионах с тех пор, как физики предположили их существование в 1970-х годах. немного похожи на нейтрино, тсчитается, что они слабо взаимодействуют с другим веществом , что затрудняет их обнаружение.

Однако, если они находятся в определенном диапазоне масс, они, по прогнозам, будут вести себя точно так же, как темная материя, способствуя выраженным гравитационным эффектам, которые нельзя объяснить, основываясь исключительно на количестве нормальной материи в Вселенной.

Теоретически ожидается, что аксионы легко распадаются на пары фотонов в наличие достаточно сильного магнитного поля, делающего их видимыми. Обнаружение избыточного света без легко определяемого источника вблизи мощного магнитного поля может быть признаком распада аксиона.

Нейтронные звезды обладают невероятно мощными магнитными полями. Эти объекты представляют собой ядра массивных звезд, которые превратились в сверхновые и схлопнулись в горячие, сверхплотные массы, настолько сжатые вместе, что ведут себя во многом как одно атомное ядро ​​размером с город.

Магнитное поле, исходящее от этого объекта, в триллионы раз мощнее, чем у Земли; достаточно силен, чтобы убить вас, если раньше не появятся другие характеристики нейтронной звезды.

Пульсар — это тип нейтронной звезды с дополнительным поворотом: она вращается с безумно высокой скоростью, часто со скоростью миллисекунды. При этом от полюсов пульсара исходят мощные лучи радиоизлучения, так что кажется, что он пульсирует в космосе, как космический маяк. Это вращение имеет еще один эффект: оно, кажется, увеличивает мощность магнитного поля нейтронной звезды.

Физик Дион Ноордхейс из Амстердамского университета и его коллеги в прошлом году опубликовали статью, в которой выяснилось, что эти быстро вращающиеся звезды способны производить 50-значное количество аксионов каждую минуту. Покидая звезду, эти аксионы проходят через ее магнитное поле и превращаются в фотоны, делая пульсар немного ярче, чем он должен быть.

Анализируя ряд пульсаров, они не смогли обнаружить никакого дополнительного света. Это не означает, что этих гипотетических частиц не существует; просто, если аксионы присутствуют, существуют более строгие ограничения на сигнал, который они могут производить.

Аксионы Согласно новой статье, продолжающей предыдущие исследования, захваченная чрезвычайной гравитацией звезды, она также должна генерировать сигнал. Со временем – возможно, в течение миллионов лет – аксионы должны накапливаться вблизи пульсара, сохраняясь на протяжении всей жизни нейтронной звезды, образуя слабый туманный слой на поверхности звезды.

Согласно анализу группы, эти аксионные облака – если они существуют – должны быть нормальными для нейтронных звезд, то есть они присутствует большинство, если не все из них. И они должны быть чрезвычайно плотными, примерно на 20 порядков выше, чем локальная плотность темной материи, а это означает, что они, в свою очередь, должны давать обнаруживаемую сигнатуру, поскольку фотоны не утекают.

Мы точно не знаем, какую форму примет эта подпись, но команда предположила две основные возможности. Один из них — непрерывный сигнал, узкая линия в радиоспектре пульсара на частоте, соответствующей массе аксиона. Мы не знаем, что это за масса, но отсутствие линии в спектре может ее сузить.

Другой — это вспышка света в конце жизни нейтронной звезды, момент, когда она перестает излучать излучение. По прогнозам, этот процесс естественным образом займет триллионы лет; Вселенная еще недостаточно стара, чтобы это могло произойти, поэтому мы вряд ли в ближайшее время сможем наблюдать какие-либо аксионные всплески от умирающих нейтронных звезд. Поэтому непрерывный сигнал является лучшим выбором.

Как и в случае с избыточным светом, исследователи не смогли обнаружить свидетельства существования аксионного облака нейтронной звезды вокруг близлежащих пульсаров. Но необнаружение позволило максимально ограничить массу аксиона в определенном диапазоне, не полагаясь на предположение, что аксионы представляют собой темную материю.

Исследование также прокладывает путь для будущих поисков, предоставляя нам новые способы поиска и понимания свойств этой загадочной, неуловимой частицы.

исследование было опубликовано в журнале Physical Review X.