Пульсари можуть підсвітити темну матерію

Обертові нейтронні зірки можуть бути “фабриками” з виробництва аксіонів – гіпотетичних частинок темної матерії, якщо вона складається саме з них. Учені змоделювали роботу такої “фабрики” і перевірили розрахунки на 27 пульсарах.

За оцінками вчених, приблизно 85% речовини у Всесвіті – темна матерія. Але вивчити її нам не вдається, бо зі звичайною матерією вона взаємодіє начебто виключно гравітаційно. Із темної матерії не формуються зірки та галактики, хоча кілька років тому астрономи припустили, що з темної матерії могли швидко сформуватися перші надмасивні чорні діри у Всесвіті.

Темна матерія не поглинає, не випускає і не розсіює випромінювання. Принаймні в тому обсязі, який астрономи могли б легко засікти сучасними інструментами. І все ж зустрічаються невеликі розбіжності в даних спостережень і розрахунків, які вчені намагаються пояснити за допомогою темної матерії.

Так оптичний фон Всесвіту, виміряний космічним зондом New Horizons, виявився майже вдвічі яскравішим, ніж передбачали теорії та моделі. Астрофізики з Університету Джонса Гопкінса (США) припустили, що це додаткове світіння виникає через розпад у потужних магнітних полях аксіонів – одних із кандидатів у темну матерію. Можливо, аксіони надають силу не тільки випромінюванню фону.

Аксіони – гіпотетичні частинки, запропоновані в 1970-х як пояснення розбіжностей розрахунків зі спостереженнями внутрішніх процесів у нейтронах. Навіть сама назва походить від назви бренду прального порошку, адже частинка мала “очистити” нестиковку в даних. Багато вчених вважають, що вона допоможе і у вирішенні проблеми темної матерії.

Знайти аксіони поки що не вдалося, але команда фізиків і астрономів із Нідерландів, Португалії та США розробила теоретичну основу виникнення і поведінки аксіонів. Їхнє дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters.

Пульсар в уявленні художника / © NASA’s Goddard Space Flight Center

Виходячи з початкових припущень про сутність аксіонів, вчені зробили висновок, що ці частинки не можуть виникати у Всесвіті повсюдно, але за присутності потужних електромагнітних полів вони повинні розпадатися на фотони. Найпотужніші електромагнітні поля – у пульсарів, обертових нейтронних зірок. Ба більше, пульсари, будучи найпотужнішими магнітами, можуть заодно бути “фабриками” з виробництва аксіонів із фотонів. Отже, потрібно придивитися до пульсарів: “зайве” випромінювання, як у випадку з фоном Всесвіту, може бути наслідком розпаду аксіонів.

У новому дослідженні вчені розробили теоретичну основу роботи такої “фабрики” і розрахували, наскільки яскравішим має бути випромінювання пульсара. Потім група перевірила свої припущення на даних спостережень за 27 пульсарами.

На жаль, їм не вдалося засікти “зайве” випромінювання – можливо, проблема в тому, що ми не до кінця розуміємо природу випромінювання самих пульсарів. Але зате, як оптимістично заявили автори роботи, їм вдалося накласти обмеження на параметри взаємодії аксіонів з випромінюванням. Причому розрахунки проводили в повній незалежності від припущень про участь цих частинок у складі темної матерії.

Навесні в дослідницькому центрі DESY (Німеччина) стартував експеримент ALPS II з перетворення фотонів на аксіони і назад на фотони. Повної чутливості вчені збиралися досягти в другій половині цього року. А наступного – модернізувати систему дзеркал. Перші результати обіцяли опублікувати у 2024-му.

Варто зазначити, що багато астрофізиків сьогодні з великим сумнівом сприймають ідеї про те, що темна матерія складається з частинок – байдуже, аксіонів чи вімпів. Цьому суперечать спостереження за скупченнями галактик Пуля і Товстун, що показують такі швидкості їхнього зближення, які несумісні з тертям, неминучим для сценарію, якщо темна матерія складається з частинок. У зв’язку з цим дедалі більшої популярності набирають альтернативні пояснення її природи.