Группа физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда продемонстрировала, что чрезвычайно аксионы могут встречаться в окружении нейтронных звёзд. Эти аксионы могли бы стать объяснением неуловимой тёмной материи, которую ищут космологи, и, более того, их может быть не так уж сложно наблюдать.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review X и является продолжением предыдущей работы, в которой авторы также изучали аксионы и нейтронные звёзды, но с другой точки зрения.

Если в предыдущей работе они исследовали аксионы, которые покидают нейтронную звезду, то теперь исследователи сосредотачиваются на тех, которые остаются в окружении — аксионах, которые захватываются гравитацией звезды. Со временем эти частицы должны постепенно образовывать «туманное облако» вокруг нейтронной звезды, и оказывается, что такие аксионные облака вполне могут наблюдаться в наши телескопы.

Источник: DALL-E

Сегодня аксионы известны как главный кандидат на объяснение тёмной материи, одной из самых больших загадок современной физики. Множество различных свидетельств предполагают, что примерно 85% содержания материи во Вселенной является «тёмной», что означает, что она не состоит из типа материи, который возможно наблюдать современными способами.

Вместо этого существование тёмной материи выводится косвенно через гравитационное влияние, которое она оказывает на видимую материю. Это не означает, что тёмная материя не имеет других взаимодействий с видимой материей, но если такие взаимодействия существуют, то их сила мала. Как следует из названия, любой жизнеспособный кандидат на тёмную материю, таким образом, невероятно трудно наблюдать напрямую.

Ожидается, что под воздействием электрических и магнитных полей аксионы смогут преобразовываться в фотоны и обратно. Свет — это то, что мы умеем наблюдать, но, поскольку соответствующая сила взаимодействия должна быть очень мала, и, следовательно, таково же и количество света, которое аксионы обычно производят. Это означает, что необходимо рассматривать среду, содержащую большое количество аксионов, в идеале в очень сильных электромагнитных полях.

Это и привело исследователей к рассмотрению нейтронных звёзд, самых плотных известных звёзд в наблюдаемой Вселенной. Эти объекты имеют массу, близкую к массе Солнца, но сжаты в диаметр от 12 до 15 километров.

Такие экстремальные плотности создают столь же экстремальную среду, которая, в частности, содержит чрезвычайно сильные магнитные поля, в миллиарды раз более сильные, чем те, что можно регистрировать на Земле. Недавние исследования показали, что эти магнитные поля позволяют нейтронным звёздам массово производить аксионы вблизи своей поверхности.

В своей предыдущей работе авторы сосредоточились на аксионах, которые после своего образования покидали звезду, — они вычислили, в каком количестве эти аксионы будут производиться, по каким траекториям будут следовать и как их преобразование в свет может привести к слабому, но потенциально наблюдаемому сигналу.

Аксионное облако вокруг нейтронной звезды. В то время как некоторые аксионы избегают гравитационного притяжения звезды, многие остаются связанными со звездой и в течение длительного периода времени образуют облако, окружающее её. Источник: University of Amsterdam

На этот раз авторы рассмотрели аксионы, которым не удаётся вырваться, — те, которые, несмотря на свою крошечную массу, попадают под действие огромной гравитации нейтронной звезды. В масштабах времени вплоть до миллионов лет они будут накапливаться вокруг нейтронной звезды. Это может привести к образованию очень плотных облаков аксионов вокруг нейтронных звёзд, которые предоставляют новые возможности для исследования.

В своей статье исследователи изучили формирование, а также свойства и дальнейшую эволюцию этих аксионных облаков. Авторы утверждают, что если аксионы существуют, то аксионные облака должны быть общими (для широкого спектра свойств аксиона они должны образовываться вокруг большинства, возможно, даже всех нейтронных звёзд), они должны быть в целом очень плотными (образуя плотность, возможно, на двадцать порядков превышающую локальные плотности тёмной материи), и по этой причине они должны создавать хорошие возможности для наблюдения.

Последние потенциально бывают многих типов, из которых авторы обсуждают два: непрерывный сигнал, испускаемый в течение больших частей жизни нейтронной звезды, а также однократная вспышка света в конце жизни нейтронной звезды, когда она прекращает электромагнитное излучение. Оба этих сигнала можно наблюдать и использовать для исследования взаимодействия между аксионами и фотонами за пределами текущих ограничений, даже с использованием существующих радиотелескопов.

Четыре стадии, характеризующие формирование и эволюцию аксионных облаков вокруг нейтронных звёзд. Источник: Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041015

Хотя до сих пор не было обнаружено облаков аксионов, с новыми результатами авторы выделили критерии для поисков, что делает поиск аксионов гораздо более осуществимым. Хотя основным пунктом в списке является «поиск облаков аксионов», работа также открывает несколько новых теоретических направлений для исследования.

Во-первых, один из авторов уже участвует в последующей работе, которая изучает, как аксионные облака могут изменить динамику самих нейтронных звёзд. Другим важным будущим направлением исследований является численное моделирование аксионных облаков: настоящая работа показывает большой потенциал для открытий, но необходимо численное моделирование, чтобы ещё точнее знать, что искать и где.

Наконец, все текущие результаты относятся к одиночным нейтронным звёздам, но многие из этих звёзд появляются как компоненты двойных звёзд — иногда вместе с другой нейтронной звездой, иногда вместе с чёрной дырой. Понимание физики аксионных облаков в таких системах и потенциальное понимание их наблюдательных сигналов было бы очень ценным для последующих наблюдательных кампаний.

Эта работа открывает новую междисциплинарную область с возможностями для будущих исследований. Как отметил один из авторов, «аксионные облака вокруг нейтронных звёзд представляют собой новый и захватывающий объект для исследования, который может помочь нам лучше понять природу тёмной материи и других фундаментальных вопросов современной физики».

Подробнее на iXBT