Гамма-лучи, выходящие из нейтронных звезд в центре взрывов сверхновых, могут раскрыть тайну темной материи — всего за 10 секунд. То есть, если темная материя состоит из аксионов, гипотетических легких частиц, которые в настоящее время являются ведущими кандидатами на темную материю.
Команда Калифорнийского университета в Беркли, стоящая за этой теорией, считает, что если она верна, то взрыв сверхновой звезды достаточно близко к Земле позволит нам обнаружить ее излучение высокоэнергетического света, подтвердить массу аксионов и, таким образом, завершить всю загадку темной материи .
Требуемый взрыв сверхновой должен был бы произойти от массивной звезды, умирающей и взрывающейся либо в пределах Млечного Пути , либо в одной из его галактик-спутников, например, в Большом Магеллановом Облаке . Такие типы событий происходят в среднем каждые несколько десятилетий, причем последняя близкая сверхновая , обозначенная как сверхновая 1987A , взорвалась в Большом Магеллановом Облаке в 1987 году.
Если исследователи правы, то поиск темной материи, который беспокоит астрономов уже несколько десятилетий, может быть завершен в самом ближайшем будущем, если повезет.
Для обнаружения явных гамма-лучей потребовалось бы, чтобы единственный космический гамма-телескоп человечества, Fermi Gamma-ray Space Telescope , был направлен в сторону ближайшей сверхновой, когда она взорвется. Если принять во внимание поле зрения Fermi, то вероятность этого составляет 1 из 10.
Команда считает, что одного обнаружения гамма-лучей от нейтронной звезды в центре обломков сверхновой будет достаточно, чтобы определить массу аксиона из широкого диапазона теоретических масс, в настоящее время предлагаемых для этих гипотетических частиц. Команда особенно заинтересована в обнаружении типа аксиона, называемого аксионом КХД. В отличие от других гипотетических аксионов, масса аксиона КХД зависит от температуры.
«Если бы мы увидели сверхновую, например, сверхновую 1987A, с помощью современного гамма-телескопа, мы смогли бы обнаружить или исключить этот аксион КХД», — сказал в своем заявлении Бенджамин Сафди, ведущий автор исследования и доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли . «И все это произошло бы в течение 10 секунд».
Почему гамма-лучи?
Темная материя представляет собой серьезную проблему для ученых, поскольку она превосходит по весу частицы «повседневной материи» во Вселенной в соотношении 5 к 1. Это важно, поскольку каждая звезда, космическое пылевое облако, луна, астероид, планета, человек, животное и каждый неодушевленный предмет, наполняющий нашу жизнь, состоит из повседневной материи.
Темная материя также сложна, поскольку она не взаимодействует со светом — или, если взаимодействует, это взаимодействие настолько слабое, что мы не можем его увидеть. Это делает темную материю фактически невидимой. Поскольку поиск частиц, которые могли бы составлять темную материю , продолжался, аксионы стали ведущими кандидатами.
Это удобно, потому что эти частицы не просто хорошо вписываются в Стандартную модель физики элементарных частиц ; они также объясняют другие тайны. Например, они могут быть ключом к объединению теории гравитации Альберта Эйнштейна, общей теории относительности и квантовой физики .
«Кажется, практически невозможно иметь последовательную теорию гравитации, объединенную с квантовой механикой, в которой не было бы таких частиц, как аксион», — пояснил Сафиди.
В то время как многочисленные эксперименты на Земле исследовали зоопарк частиц, чтобы подтвердить существование аксионов, многие ученые обратили свое внимание на самые экстремальные звезды во Вселенной — нейтронные звезды , предполагая, что они могут содержать эти гипотетические частицы.
Нейтронные звезды рождаются, когда у массивных звезд заканчивается топливо, необходимое для ядерного синтеза в их ядрах, и внешнее радиационное давление, которое они создавали миллиарды лет, прекращается. Это означает, что эти звезды больше не могут противостоять внутреннему толчку собственной гравитации.
Поскольку их ядра быстро коллапсируют, ударные волны вырываются в верхние слои этих массивных звезд, вызывая сверхновые, которые сдувают большую часть массы звезд. Результатом являются нейтронные звезды с массой от одной до двух масс Солнца и шириной около 12 миль (20 километров).
Ученые предложили искать аксионы, которые образуются внутри нейтронных звезд сразу после того, как происходит коллапс ядра сверхновой, которая их рождает. Эти усилия в основном были сосредоточены на аксионах, которые медленно производят фотоны (фундаментальные частицы света) гамма-лучей, когда частицы сталкиваются с магнитными полями вокруг галактик.
Сафди и коллеги предположили, что этот процесс не будет очень эффективным для создания гамма-лучей, по крайней мере, в объемах, достаточных для обнаружения с Земли. Поэтому они переключили свое внимание на аналогичный космический процесс, но на этот раз тот, который происходит в мощных магнитных полях, окружающих сами нейтронные звезды. Они обнаружили, что эта область может эффективно вызывать всплеск гамма-лучей, который будет соответствовать массе аксионов и совпадать со всплеском «частиц-призраков», или нейтрино , из сердца соответствующей нейтронной звезды.
Этот всплеск аксионов будет длиться всего 10 секунд после образования нейтронной звезды, причем скорость производства этих гипотетических частиц резко упадет за несколько часов до взрыва внешних слоев звезды.
«Это действительно привело нас к мысли о нейтронных звездах как об оптимальных целях для поиска аксионов в качестве аксионных лабораторий», — сказал Сафди. «У нейтронных звезд есть много преимуществ. Это чрезвычайно горячие объекты. Они также обладают очень сильными магнитными полями. Самые сильные магнитные поля в нашей Вселенной находятся вокруг нейтронных звезд, таких как магнетары , которые имеют магнитные поля в десятки миллиардов раз сильнее, чем все, что мы можем создать в лаборатории. Это помогает преобразовать эти аксионы в наблюдаемые сигналы».
Продолжая это направление исследований и учитывая скорость, с которой остывают нейтронные звезды, производя аксионы и нейтрино, Сафди и его коллеги определили, что верхняя масса аксиона КХД, вероятно, будет в 32 раза меньше массы электрона.
В этой новой работе группа описала образование гамма-лучей после коллапса ядра сверхновой. , который создал нейтронную звезду, и рассмотрела значимость того факта, что Ферми не обнаружил гамма-лучи, когда взорвалась сверхновая 1987A. Это привело исследователей к выводу, что обнаружение гамма-лучей от такого взрывного события позволило бы им обнаружить аксион КХД, если его масса превышает 10-миллиардную массу электрона. Они утверждают, что одного обнаружения было бы достаточно, чтобы переориентировать поиск аксионов и помочь подтвердить их массу.
«Самый лучший сценарий для аксионов — это если Ферми поймает сверхновую. Просто вероятность этого мала», — сказал Сафди. «Но если бы Ферми увидел ее, мы смогли бы измерить ее массу. Мы смогли бы измерить ее силу взаимодействия. Мы смогли бы определить все, что нам нужно знать об аксионе, и мы были бы невероятно уверены в сигнале, потому что нет обычной материи, которая могла бы создать такое событие».
Команда осознает, что существует опасность пропустить гамма-лучи, создаваемые аксионами, возникающими при следующих долгожданных вспышках сверхновых в окрестностях Млечного Пути.
Чтобы избежать этого, команда работает с учеными, создающими гамма-телескопы, чтобы определить, насколько осуществимо было бы наблюдать 100% неба 24/7. Это гарантировало бы обнаружение любых гамма-лучей, выходящих из сверхновой. Исследователи предложили назвать спутниковую группировку гамма-лучей для всего неба Галактическим аксионным инструментом для сверхновых (GALAXIS).
«Я думаю, что все мы в этой статье напряжены из-за того, что следующая сверхновая вспыхнет до того, как у нас появятся нужные приборы», — сказал Сафди. «Было бы очень обидно, если бы завтра взорвалась сверхновая, и мы упустили возможность обнаружить аксион — он может не вернуться еще лет 50».
Исследование группы было опубликовано 19 ноября в журнале Physical Review Letters .