Физики предложили использовать нейтронные звезды для обнаружения темной материи

Стремление раскрыть природу темной материи — одна из величайших задач современной науки, но ключ к окончательному пониманию этой загадочной субстанции вполне может быть в звездах. Или в одном особом типе звезд — нейтронная звезда.

До сих пор ученые могли сделать вывод о существовании темной материи по косвенным признакам, но не наблюдали ее напрямую. На самом деле обнаружение частиц темной материи в экспериментах на Земле — невероятно сложная задача, потому что взаимодействия частиц темной материи с обычной материей чрезвычайно редки.

Для поиска этих невероятно редких сигналов нужен очень большой детектор — возможно, настолько большой, что его невозможно построить на Земле. Однако Природа предоставляет альтернативный вариант в виде нейтронных звезд — такая звезда может выступать в качестве детектора темной материи.

В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, австралийские ученые определили, как гораздо более точно использовать информацию, полученную с помощью этих уникальных естественных детекторов темной материи.

Нейтронные звезды — это самые плотные звезды, которые, как известно, существуют и образуются, когда гигантские звезды умирают в результате взрыва сверхновых. Позади находится сжатое ядро, в котором гравитация сжимает материю так сильно, что протоны и электроны объединяются, образуя нейтроны. При массе, сравнимой с массой Солнца и радиусом в 10 километров, одна чайная ложка вещества нейтронной звезды имеет массу около миллиарда тонн!

Эти звезды являются «космическими лабораториями», позволяющими изучать, как темная материя ведет себя в экстремальных условиях, которые невозможно воспроизвести на Земле.

Темная материя очень слабо взаимодействует с обычной материей. Например, она может пройти через стену из свинца толщиной в световой год (около 10 триллионов километров), не останавливаясь. Невероятно, но нейтронные звезды настолько плотны, что могут улавливать частицы темной материи, которые проходят через них.

Теоретически частицы темной материи столкнутся с нейтронами в звезде, потеряют энергию и окажутся в гравитационной ловушке. Со временем частицы темной материи будут накапливаться в ядре звезды. Ожидается, что это разогреет старые, холодные нейтронные звезды до уровня, который может быть доступен для будущих наблюдений. В крайних случаях накопление темной материи может спровоцировать коллапс звезды в черную дыру.

Это означает, что нейтронные звезды могут позволить исследовать определенные типы темной материи, которые было бы трудно или невозможно наблюдать в экспериментах на Земле.

На Земле эксперименты с темной материей ищут крошечные сигналы ядерной отдачи, вызванные невероятно редкими столкновениями медленно движущихся частиц темной материи. Для сравнения: сильное гравитационное поле нейтронной звезды ускоряет темную материю до почти релятивистских скоростей, что приводит к столкновениям с гораздо большей энергией.

Другая проблема для обнаружения на Земле заключается в том, что эксперименты наиболее чувствительны к частицам темной материи, которые имеют массу, аналогичную атомным ядрам, что затрудняет обнаружение темной материи, которая может быть намного легче или тяжелее.

Однако частицы темной материи теоретически могут быть захвачены звездами и планетами в значительных количествах, независимо от того, насколько они легкие или тяжелые.

Важнейшей задачей при использовании нейтронных звезд для обнаружения темной материи является обеспечение того, чтобы расчеты, используемые учеными, полностью учитывают уникальное окружение звезды. Хотя захват темной материи нейтронными звездами изучается на протяжении десятилетий, существующие расчеты упускают из виду важные физические эффекты.

Физики из Университета Мельбурна приступили к внесению ключевых улучшений в расчет скорости захвата темной материи, то есть того, насколько быстро темная материя накапливается в нейтронных звездах, что значительно изменило ответы.

Исследование учитывает структуру нуклонов, а не рассматривает нейтроны как точечные частицы, и включает эффекты сильных сил между нуклонами, а не моделирует нейтроны как свободный газ частиц. Это основано на их более ранней работе, в которой ученые включили состав звезды, релятивистские эффекты, квантовую статистику и гравитационную фокусировку.

Проще говоря, они показали, как правильно думать о столкновениях темной материи в экстремальной среде нейтронных звезд, которая так сильно отличается от детекторов темной материи на Земле.

Это новое исследование значительно повышает точность и надежность оценок скорости захвата темной материи и открывает путь к более точному определению силы взаимодействия темной материи с обычной материей.

В конечном итоге доказательства (или отсутствие доказательств) накопления темной материи в звездах дадут ценные подсказки о том, куда нацелить экспериментальные усилия на Земле, помогая раскрыть великую тайну темной материи.