В погоне за невидимым: плазма магнетаров может скрывать секреты темной материи

Темная материя — это величайшая головоломка современной астрофизики. Эта неуловимая субстанция, которая не испускает, не поглощает и не отражает свет, составляет подавляющую долю массы Вселенной, определяя ее крупномасштабную структуру и гравитацию галактик. Однако ее природа остается совершенно неизвестной, словно Вселенная скрывает от нас свою главную составляющую. Одним из самых многообещающих ключей к разгадке этой тайны считаются гипотетические частицы — аксионы, которые в определенных условиях могут превращаться в фотоны, порождая слабые, но потенциально обнаружимые радиосигналы. Но новое исследование международной группы ученых предполагает, что сама Вселенная может заглушать этот долгожданный сигнал, внося коррективы в стратегию его поиска.

Исследователи из Политехнического института Лиссабона и других научных центров провели глубокий анализ, который демонстрирует, что процесс преобразования аксионов в фотоны в экстремальных условиях космоса может быть гораздо менее эффективным, чем считалось ранее.

Их работа сосредоточена на среде, окружающей магнетары — нейтронные звезды, обладающие колоссальными магнитными полями. Именно в их магнитосферах, где доминируют магнитные поля и присутствует разреженная плазма, и должен, согласно теории, происходить процесс рождения фотонов из аксионов.

Уго Терсас, доцент Высшего института инженерных наук Лиссабона и ведущий автор исследования, объясняет суть открытия с помощью яркой аналогии. Если представить, что аксионный сигнал — это определенная нота, издаваемая далекой флейтой, то предыдущие расчеты оценивали, насколько громкой она должна быть к моменту достижения Земли. Работа его команды показала, что «во флейте есть утечка»: часть «воздуха» (аксионов) просачивается через нее в другой, приглушенный инструмент (плазмоны), который не слышен. В результате нота, которую пытаются услышать астрономы, оказывается значительно тише всех ожиданий.

Этот механизм «утечки» заключается во взаимодействии аксионов не напрямую с магнитным полем, а с плазмонами — коллективными колебаниями электронов в плазме, заполняющей магнитосферу звезды. Часть энергии, которая должна была пойти на генерацию фотонов (радиосигнала), перекачивается в возбуждение этих плазменных волн, которые затем рассеиваются и не несут обнаруживаемой информации к Земле. Следовательно, реальный сигнал, идущий через космос, оказывается значительно слабее, а для его обнаружения потребуются радиотелескопы следующего поколения с беспрецедентной чувствительностью или пересмотр стратегии наблюдений.

Одним из самых интригующих аспектов этой работы является ее универсальность. Как подчеркивает Уго Терсас, открытый его группой фундаментальный физический механизм преобразования энергии из одной формы в другую (в данном случае аксион-фотонного сигнала в плазменные волны) проявляется в самых разных областях физики. Яркий пример — термоядерные реакторы-токамаки, где ученые используют тот же принцип для нагрева плазмы: реакторы излучают электромагнитные волны, которые преобразуются в плазменные и передают ей свою энергию. Таким образом, исследование сокращает разрыв между космологией, физикой элементарных частиц и прикладной физикой плазмы.

Это открытие не только вносит важные коррективы в поиск темной материи, но и предлагает новую концепцию для понимания преобразования энергии в самых разных физических системах. На основании этих результатов можно усовершенствовать стратегии наблюдений, направив усилия на объекты с определенными параметрами плазмы или скорректировав модели ожидаемого сигнала.

Однако на этом работа команды не заканчивается. Их амбициозный план на будущее заключается в том, чтобы перейти от пассивного прослушивания космоса к активному созданию условий для генерации и детектирования аксионов в лаборатории. Для этого они планируют создать «синтетическую» плазму — искусственный материал, который сможет воспроизвести на столе экстремальные условия магнитосферы магнетара. Такой подход позволит в контролируемой среде настроить параметры и напрямую охотиться за аксионами через открытый ими же механизм, превратив темную материю из философской концепции в объект экспериментального изучения.