Нейтронные звезды могут быть окружены облаками аксионов

Группа физиков продемонстрировала, что чрезвычайно легкие частицы, известные как аксионы, могут встречаться в больших облаках вокруг нейтронных звезд. Аксионы могли бы стать объяснением неуловимой темной материи, которую ищут ученые, 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 звезды, но с совершенно другой точки зрения.

Если в предыдущей работе они исследовали аксионы, которые покидают нейтронную звезду, то теперь исследователи сосредотачиваются на тех, которые остаются позади — 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 телескопы. Но почему астрономы и физики так интересуются туманными облаками вокруг далеких звезд?

Аксионы: от порошка до темной материи

Протоны, нейтроны, электроны, фотоны — большинству из нас знакомы названия хотя бы некоторых из этих крошечных частиц. Аксион менее известен, и на то есть веская причина: на данный момент он является лишь гипотетическим типом частиц, который пока никто не обнаружил. Названный в честь марки порошка (мыла), его существование было впервые постулировано в 1970-х годах, чтобы устранить проблему — отсюда и ссылка на порошок — в нашем понимании одной из частиц, которую мы могли наблюдать очень хорошо: нейтрона. Однако, несмотря на то, что теоретически аксионы очень хороши, если бы они существовали, они были бы очень легкими, что делало бы их очень трудными для обнаружения в экспериментах или наблюдениях.

Сегодня аксионы также известны как кандидаты на объяснение темной материи, одной из самых больших загадок современной физики. Множество различных свидетельств предполагают, что примерно 85% содержания материи в нашей Вселенной является «темной», что просто означает, что она не состоит из какого-либо типа материи, который мы знаем и можем в настоящее время наблюдать.

Вместо этого существование темной материи выводится только косвенно через гравитационное влияние, которое она оказывает на видимую материю. К счастью, это не означает автоматически, что темная материя вообще не имеет других взаимодействий с видимой материей, но если такие взаимодействия существуют, их сила обязательно очень мала. Как следует из названия, любой жизнеспособный кандидат на темную материю, таким образом, невероятно трудно наблюдать напрямую.

Сложив одно с другим, физики поняли, что аксион может быть именно тем, что они ищут для решения проблемы темной материи. Частица, которая еще не наблюдалась, которая была бы чрезвычайно легкой и имела бы очень слабое взаимодействие с другими частицами… может ли аксион быть хотя бы частью объяснения темной материи?

Нейтронные звезды как увеличительные стекла

Идея аксиона как частицы темной материи хороша, но в физике идея действительно хороша только в том случае, если она имеет наблюдаемые последствия. Будет ли способ наблюдать аксионы пятьдесят лет спустя после того, как их возможное существование было впервые предложено?

Под воздействием электрических и магнитных полей аксионы, как ожидается, смогут преобразовываться в фотоны — частицы света — и наоборот. Свет — это то, что астрономы умеют наблюдать, но, как уже упоминалось, соответствующая сила взаимодействия должна быть очень мала, и, следовательно, таково же и количество света, которое аксионы обычно производят. То есть, если только не рассматривать среду, содержащую действительно огромное количество аксионов, в идеале в очень сильных электромагнитных полях.

Это привело исследователей к рассмотрению нейтронных звезд, самых плотных объектов в нашей Вселенной. Эти объекты имеют массу, близкую к массе нашего Солнца, но сжаты в сферы размером от 12 до 15 километров.

Такие экстремальные плотности создают столь же экстремальную среду, которая, в частности, также содержит магнитные поля, в миллиарды раз более сильные, чем те, что есть на Земле. Недавние исследования показали, что если аксионы существуют, то такие магнитные поля позволят нейтронным звездам массово производить эти частицы вблизи своей поверхности.

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

На этот раз они рассматривают аксионы, которым не удается вырваться, — те, которые, несмотря на свою крошечную массу, попадают под действие огромной гравитации нейтронной звезды.

Из-за очень слабых взаимодействий аксионов эти частицы останутся, и в масштабах времени вплоть до миллионов лет они будут накапливаться вокруг нейтронной звезды. Это может привести к образованию очень плотных облаков аксионов вокруг нейтронных звезд, которые могут предоставить новые возможности для исследования аксионов.

В своей статье исследователи изучают формирование, а также свойства и дальнейшую эволюцию этих аксионных облаков, указывая на то, что они должны, а во многих случаях просто обязаны, существовать.

Фактически, 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 звезд), они должны быть в целом очень плотными (образуя плотность, возможно, на двадцать порядков превышающую локальные плотности темной материи), и по этой причине они должны приводить к мощным наблюдательным сигнатурам.

Последние потенциально бывают многих типов, из которых авторы обсуждают два: непрерывный сигнал, испускаемый в течение больших частей жизни нейтронной звезды, а также одноразовая вспышка света в конце жизни нейтронной звезды, когда она прекращает производить свое электромагнитное излучение.

Обе эти сигнатуры можно наблюдать и использовать для исследования взаимодействия между аксионами и фотонами за пределами текущих ограничений, даже с использованием уже существующих радиотелескопов.

Что дальше?

Хотя до сих пор не было обнаружено никаких облаков аксионов, с новыми выводами стало известно очень точно, что искать, что делает тщательный поиск гораздо более осуществимым. Хотя основным пунктом в списке дел 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 звезд. Другим важным будущим направлением исследований является численное моделирование аксионных облаков: настоящая работа показывает большой потенциал для открытий, но необходимо больше численного моделирования, чтобы еще точнее знать, что искать и где.

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

Таким образом, настоящая работа является важным шагом в новом и захватывающем направлении исследований. Для полного понимания аксионных облаков потребуются дополнительные усилия из разных областей науки, включая физику частиц (астрофизику), физику плазмы и наблюдательную радиоастрономию. Данная работа открывает эту новую междисциплинарную область с широкими возможностями для будущих исследований.