Рентгеновские сигналы от нейтронных звезд намекают на «призрачные» частицы

Астрономы обнаружили странный сигнал, исходящий от группы нейтронных звезд, который может быть следом давно искомой элементарной частицы — и, возможно, даже темной материи. Необъяснимый избыток рентгеновских лучей намекает на аксионы, гипотетические «призрачные» частицы, которые могут решить несколько давних физических головоломок.

Когда массивные звезды становятся сверхновыми, они могут оставить после себя нейтронные звезды — чрезвычайно плотные ядра с мощными магнитными полями.

Ожидалось, что группа нейтронных звезд по прозвищу «Великолепная семерка» будет производить ультрафиолетовый свет и низкоэнергетические рентгеновские лучи, но несколько лет назад астрономы обнаружили, что они также каким-то образом испускают высокоэнергетические рентгеновские лучи, что нельзя объяснить с помощью текущих моделей.

В новом исследовании команда ученых предложила интригующее объяснение — сигналы могут быть вызваны аксионами. Эти гипотетические частицы были впервые предложены в 1977 году для решения космологической загадки, называемой проблемой сильной CP, которая (упрощенно) размышляет о том, почему нейтроны не взаимодействуют с электрическими полями.

Позже аксионы выступили в качестве многообещающего кандидата на роль частицы темной материи, загадочного вещества, которое, как считается, превышает количество частиц обычной материи в соотношении пять к одному.

Если бы они существовали, аксионы имели бы очень малую массу и редко взаимодействовали бы с обычной материей, беспрепятственно проникая через людей и планеты — отсюда и прозвище «призрачная частица». Но один из способов заявить о своем присутствии — это взаимодействие с электромагнитными полями, такими, которые окружают нейтронные звезды.

Исследователи предполагают, что аксионы могут создаваться в огромных количествах в сердце этих нейтронных звезд и выходить наружу, где магнитное поле преобразовывает их в фотоны. Поскольку аксионы несут большое количество энергии, их фотоны тоже будут производить высокоэнергетические рентгеновские лучи, наблюдаемые вокруг этих звезд.

«Мы еще не утверждаем, что открыли аксион, но мы говорим, что дополнительные рентгеновские фотоны могут быть объяснены аксионами», — говорит Раймонд Ко, автор исследования.

«Это захватывающее открытие избытка рентгеновских фотонов, и это захватывающая возможность, которая уже согласуется с нашей интерпретацией аксионов».

Интересно, что астрономы уже работали с этой интерпретацией аксионов и пытались найти частицы, ища признаки радиосигналов вокруг нейтронных звезд или рентгеновских аномалий в скоплениях галактик, но безрезультатно. Это делает новое обнаружение такого странного сигнала, отвечающего требованиям аксионов, невероятно интригующим. Более того, они, возможно, уже были обнаружены в лабораторных экспериментах.

Если аксионы действительно существуют, они будут очень «удобными» частицами. Они не только смогли решить проблему сильной CP и темной материи, но и укрепили аргументы в пользу теории струн и могут помочь объяснить, почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества.

Даже если избыток рентгеновских лучей не вызван аксионами, ученые говорят, что они все равно могут вызывать вопросы, выходящие за рамки Стандартной модели, намекая на совершенно новую физику. Чтобы выяснить это, следующим шагом будет исследование белых карликов, которые, как ожидается, не будут иметь рентгеновского излучения.

«Если мы увидим избыток рентгеновских лучей и там, это становится довольно убедительным, — говорит Бенджамин Сафди, ведущий автор исследования.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.