Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойКосмосОхота за космическим свечением: может ли свет пульсара раскрыть тайны темной материи?

Охота за космическим свечением: может ли свет пульсара раскрыть тайны темной материи?

- Advertisement -

Новое исследование исследует возможность того, что темная материя состоит из теоретических частиц, называемых аксионами, и фокусируется на их обнаружении с помощью дополнительного света от пульсаров. Первоначальные наблюдения еще не подтвердили аксионы, но исследование имеет решающее значение для понимания темной материи.

Центральный вопрос в продолжающейся охоте за темной материей: из чего она состоит? Один из возможных ответов заключается в том, что темная материя состоит из частиц, известных как аксионы. Недавние исследования астрофизиков из университетов Амстердама и Принстона предполагают, что, если темная материя действительно состоит из аксионов, она может проявляться в виде тонкого дополнительного свечения, исходящего от пульсирующих звезд.

Темная материя может быть самой востребованной 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 вокруг. Предполагается, что не менее 85% материи во Вселенной является «темной», что в настоящее время заметно только по гравитационному притяжению, которое она оказывает на другие астрономические объекты. Понятно, что ученые хотят большего. Они хотят по-настоящему видеть темная материя – или, по крайней мере, обнаружить ее присутствие напрямую, а не просто сделать вывод о нем на основе гравитационных эффектов. И, конечно: они хотят знать что это.

Устранение двух проблем

Ясно одно: темная материя не может быть той же материей, из которой мы с вами состоим. Если бы это было так, темная материя просто вела бы себя как обычная материя – она формировала бы такие объекты, как звезды, светилась бы и больше не была бы «темной». Поэтому ученые ищут что-то новое — тип частиц, который еще никто не обнаружил и который, вероятно, очень слабо взаимодействует с известными нам типами частиц, что объясняет, почему эта составляющая нашего мира до сих пор остается неуловимой.

Есть много подсказок, где искать. Одно популярное предположение состоит в том, что темная материя может состоять из аксионы. Этот гипотетический тип частиц был впервые представлен в 1970-х годах для решения проблемы, не имеющей ничего общего с темной материей. Разделение положительных и отрицательных зарядов внутри нейтрона, одного из строительных блоков обычных атомов, оказалось неожиданно малым. Ученые, конечно, хотели знать, почему. Оказалось, что именно такой эффект могло вызвать присутствие до сих пор не обнаруженного типа частиц, очень слабо взаимодействующих с составляющими нейтрона. Позднее лауреат Нобелевской премии Франк Вильчек придумал название для новой частицы: аксион – не просто похоже на названия других частиц, таких как протон, нейтрон, электрон и фотон, но также вдохновлен одноименным стиральным порошком. Аксион был здесь, чтобы решить проблему.

Фактически, несмотря на то, что он никогда не был обнаружен, он может очистить два. Несколько теорий элементарных частиц, включая теорию струн, одну из ведущих теорий-кандидатов на объединение всех сил в природе, похоже, предсказывают, что аксионоподобные частицы могут существовать. Если бы аксионы действительно существовали, могли бы они также составлять часть или даже всю недостающую темную материю? Возможно, но дополнительный вопрос, который преследовал все исследования темной материи, был справедлив и для аксионов: если да, то как мы можем их увидеть? Как сделать что-то «темное» видимым?

Пролить свет на темную материю

К счастью, кажется, что для аксионов есть выход из этой загадки. Если теории, предсказывающие аксионы, верны, ожидается, что они не только будут массово производиться во Вселенной, но и некоторые аксионы могут также превращаться в свет в присутствии сильных электромагнитных полей. Когда есть свет, мы можем видеть. Может ли это быть ключом к обнаружению аксионов – и, следовательно, к обнаружению темной материи?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученым сначала пришлось задать себе вопрос, где во Вселенной возникают самые сильные из известных электрических и магнитных полей. Ответ таков: в регионах, окружающих вращающиеся нейтронные звезды, также известные как пульсары. Эти пульсары – сокращение от «пульсирующие звезды» – представляют собой плотные объекты с массой примерно такой же, как у нашего Солнца, но радиусом примерно в 100 000 раз меньше, всего около 10 км. Будучи такими маленькими, пульсары вращаются с огромной частотой, испуская яркие узкие лучи радиоизлучения вдоль своей оси вращения. Похожий на маяк, пульсарЛучи Солнца могут проходить через Землю, что делает пульсирующую звезду легко наблюдаемой.

Однако огромное вращение пульсара дает больше. Это превращает нейтронная звезда в чрезвычайно сильный электромагнит. Это, в свою очередь, может означать, что пульсары являются очень эффективными фабриками аксионов. Каждую секунду средний пульсар был бы способен производить 50-значное количество аксионов. Из-за сильного электромагнитного поля вокруг пульсара часть этих аксионов могла преобразоваться в наблюдаемый свет. То есть, существуют ли аксионы вообще – но теперь этот механизм можно использовать, чтобы ответить именно на этот вопрос. Просто посмотрите на пульсары, посмотрите, излучают ли они дополнительный свет, и если да, то определите, может ли этот дополнительный свет исходить от аксионов.

Имитация легкого свечения

Как всегда в науке, на самом деле провести такое наблюдение, конечно, не так просто. Свет, излучаемый аксионами, который можно обнаружить в виде радиоволн, будет составлять лишь небольшую часть общего света, который посылают нам эти яркие космические маяки. Нужно очень точно знать, что такое пульсар. без как бы выглядели аксионы, и что такое пульсар с аксионы, чтобы иметь возможность увидеть разницу – не говоря уже о том, чтобы количественно оценить эту разницу и превратить ее в измерение количества темной материи.

Именно это сейчас и сделала команда физиков и астрономов. Совместными усилиями Нидерландов, Португалии и США команда создала комплексную теоретическую основу, которая позволяет детально понять, как производятся аксионы, как аксионы выходят из-под гравитационного притяжения нейтронной звезды и как во время их существования убегая, они преобразуются в низкоэнергетическое радиоизлучение.

Затем теоретические результаты были перенесены на компьютер для моделирования образования аксионов вокруг пульсаров с использованием самых современных численных методов. плазма симуляции, которые изначально были разработаны для понимания физики того, как пульсары излучают радиоволны. После виртуального создания было смоделировано распространение аксионов через электромагнитные поля нейтронной звезды. Это позволило исследователям количественно понять последующее производство радиоволн и смоделировать, как этот процесс обеспечит дополнительный радиосигнал помимо собственного излучения, генерируемого самим пульсаром.

Испытание аксионных моделей

Результаты теории и моделирования затем были подвергнуты первой наблюдательной проверке. Используя наблюдения 27 близлежащих пульсаров, исследователи сравнили наблюдаемые радиоволны с моделями, чтобы увидеть, может ли какое-либо измеренное превышение служить доказательством существования аксионов. К сожалению, ответ был «нет» – или, возможно, более оптимистично: «пока нет». Аксионы к нам не сразу выскакивают, но, пожалуй, этого и не следовало ожидать. Если бы темная материя так легко раскрыла свои тайны, ее уже давно бы заметили.

Таким образом, надежда на точное обнаружение аксионов теперь связана с будущими наблюдениями. Между тем, нынешнее ненаблюдение радиосигналов от аксионов само по себе является интересным результатом. Первое сравнение симуляций и реальных пульсаров установило самые строгие на сегодняшний день ограничения на взаимодействие аксионов со светом.

Конечно, конечная цель состоит в том, чтобы сделать больше, чем просто установить ограничения – это либо показать, что аксионы существуют, либо убедиться, что крайне маловероятно, что аксионы вообще являются составной частью темной материи. Новые результаты — лишь первый шаг в этом направлении; они являются лишь началом того, что может стать совершенно новой и междисциплинарной областью, которая потенциально может значительно продвинуть поиск аксионов.

Ссылка: «Новые ограничения на аксионы, образующиеся в каскадах полярной шапки пульсаров», Дион Ноордхейс, Анируд Прабху, Сэмюэл Дж. Витте, Александр Ю. Чен, Фабио Круз и Кристоф Венигер, 15 сентября 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.111004.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме