Ученые просканировали нейтронные звезды на предмет сигналов темной материи

Считается, что темная материя превосходит обычную в соотношении пять к одному, однако она остается пока неуловимой. Но могут быть способы потенциально обнаружить его, если знать, где искать, и теперь астрономы просканировали нейтронные звезды на предмет возможных сигналов предполагаемой частицы темной материи, называемой аксионом.

Десятилетия астрономических наблюдений привели ученых к выводу, что Вселенная заполнена невидимыми частицами темной материи. Эта материя не излучает и не отражает свет, но она дает знать о своем присутствии благодаря чрезвычайно сильному гравитационному воздействию на звезды и галактики.

Прямое обнаружение частиц темной материи считалось бы Святым Граалем физики, но оказалось, что найти “невидимую” субстанцию очень непросто. Темная материя может быть любым количеством гипотетических частиц, таких как сверхтяжелые гравитино, стерильные нейтрино, темные фотоны или слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs), каждая со своими собственными свойствами.

Особенно многообещающим кандидатом является аксионы. Если они существуют, то эти частицы должны быть очень легкими, иметь нейтральный электрический заряд и «плавать» по вселенной волнами. Но что делает их наиболее захватывающими, так это то, что, в отличие от других кандидатов, аксионы должны иногда взаимодействовать с обычной материей через силы, отличные от гравитации, а именно электромагнетизм.

В прошлом проводились эксперименты, чтобы попытаться обнаружить аксионы, когда они создают электрические или магнитные поля в определенных условиях или воздействуя на спин электрифицированных нейтронов. Но для нового исследования ученые отвели взгляд от лаборатории и посмотрели на звезды.

Еще одно предсказанное свойство аксионов состоит в том, что при столкновении с сильным электромагнитным полем они должны иногда спонтанно превращаться в фотоны – частицы света, которые легко обнаружить.

Нейтронные звезды обладают одними из самых сильных магнитных полей во Вселенной, и их огромные массы должны притягивать большое количество аксионов. Поэтому исследователи рассудили, что эти объекты будут идеальными местами для сканирования аксионов, превращающихся в фотоны.

Такое преобразование, как ожидается, приведет к получению сверхузкого пика радиоволн на определенной частоте, в зависимости от массы аксиона.

Исследователи проанализировали данные двух радиотелескопов — телескопа Robert C. Byrd Green Bank в США и 100-метрового телескопа Effelsberg в Германии – когда они наблюдали две близлежащие нейтронные звезды, а также провели более широкое сканирование центра Млечного Пути, где, по оценкам, должно быть еще 500 миллионов таких звезд.

Исследователи взяли образцы радиочастот около 1 ГГц в этих местах, которые, как ожидается, будут создаваться аксионами с массой от 5 до 11 микроэлектронвольт. И они не обнаружили таких сигналов.

Однако нулевой результат не является провальным — он позволяет исследователям исключить аксионы, существующие в этом диапазоне масс. Поскольку все больше и больше экспериментов пытаются найти кандидата на частицу темной материи с различными массами и свойствами, каждый из них потенциально приближает нас к ответу.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.