Нейтронні зорі можуть бути найкращими детекторами темної матерії

Частинки темної матерії можуть взаємодіяти з нейтронами в ядрі нейтронних зірок. Якщо так, то це повинно нагрівати зорі, і нові розрахунки показують, що це може відбуватися досить швидко, щоб ми могли це виявити, хоча автори ідеї визнають, що це буде нелегко.

Вважається, що Всесвіт містить майже в шість разів більше темної матерії, ніж звичайної баріонної матерії, яку ми можемо бачити. Це робить нашу нездатність виявити темну матерію (окрім її гравітаційних ефектів), не кажучи вже про розуміння її природи, однією з найбільших проблем у фізиці. Твердження, що темної матерії не існує, а її видимі ефекти можна пояснити іншими способами, набули широкого розголосу, але не переконали багатьох фізиків.

Замість цього зусилля були спрямовані на створення все більш потужних інструментів на Землі, але професор Ніколь Белл з Мельбурнського університету має ідею для детекторів, які будуть набагато потужнішими, хоча й набагато віддаленішими.

Белл є першим автором нового дослідження, яке припускає, що якщо темна матерія взаємодіє з баріонною матерією не через гравітацію, то при цьому повинно виділятися тепло. На Землі, не кажучи вже про міжзоряний простір, це відбувається так рідко, що його надзвичайно важко виявити.

“Хоча темна матерія є домінуючим типом матерії у Всесвіті, її дуже важко виявити, оскільки її взаємодія зі звичайною матерією дуже слабка. Настільки слабкі, що темна матерія може пройти прямо крізь Землю або навіть крізь Сонце”, – сказав Белл у своїй заяві. “Але нейтронні зірки відрізняються – вони настільки щільні, що частинки темної матерії набагато частіше взаємодіють із зіркою. Якщо частинки темної матерії зіткнуться з нейтронами в зірці, вони втратять енергію і опиняться в пастці. З часом це призведе до накопичення темної матерії в зірці”.

Хоча ми не знаємо форми цих взаємодій, автори очікують, що вони будуть пов’язані з вивільненням енергії, яка в кінцевому підсумку перетвориться на тепло.

Співавтор дослідження, аспірант Майкл Віргато додав: “Якщо передача енергії відбувається досить швидко, нейтронна зірка нагрівається. Щоб це сталося, темна матерія повинна зазнати багато зіткнень у зірці, передаючи все більше і більше енергії темної матерії, поки, врешті-решт, вся енергія не буде депонована в зірці”.

Попередні оцінки припускали, що тепло буде виділятися настільки повільно, що його неможливо буде виявити, але Белл, Віргато і співавтори вважають, що це може бути не так. Белл сказав IFLScience, що поки ми не знаємо, як часто ці взаємодії відбуватимуться: “Якщо експерименти на Землі [з пошуку взаємодії темної матерії] знаходяться на відстані пострілу [щоб щось знайти], то ефект повинен спостерігатися на нейтронних зірках”.

Нейтронні зорі надзвичайно гарячі, коли вони утворюються, і повільно охолоджуються. Якщо відбувається взаємодія, охолодження має бути ще повільнішим, і зорі ніколи не повинні ставати по-справжньому холодними, особливо в місцях, де сконцентрована темна матерія.

Белл розповів IFLScience, що теорію можна перевірити, шукаючи нейтронні зірки в місцях, де, як вважається, сконцентрована темна матерія. “Якщо ми знайдемо дійсно холодну нейтронну зорю в середовищі, багатому на темну матерію, це про щось нам скаже, – сказала вона. Якщо ж ми знайдемо нейтронну зорю в таких умовах, яка є досить гарячою, то цьому може бути кілька пояснень, і взаємодія з темною матерією буде лише одним з них.

Отже, виявлення холодних нейтронних зірок спочатку дало б нам більше інформації. “Нульові результати наближають нас до мети”, – зазначив Белл, додавши, що це стосується і багатьох інших спроб виявлення темної матерії. Однак, якщо альтернативні пояснення можуть бути виключені для гарячого виявлення, ми дійсно могли б кудись просунутися.

Белл додала, що вона не є експериментатором, і сподівається, що хтось інший підхопить ідею вивчення температур нейтронних зірок і побіжить з нею. Вона визнає, що пошук правильного місця для пошуку може стати ще однією проблемою. “Наш галактичний центр багатий на темну матерію, але він безладний”, – сказала вона IFLScience, збільшуючи діапазон можливих пояснень для всього, що ми можемо знайти. Отже, найкраще шукати відносно недалеко від дому, шукаючи старі нейтронні зірки, які світяться в інфрачервоному діапазоні, або не світяться.

Знайти їх, ймовірно, буде нелегко, але, як зазначив Белл, “пошук темної матерії – одна з найбільших детективних історій в науці”.