Частицу темной материи предложили искать, наблюдая за сверхновыми
Традиционных претендентов на роль частиц темной материи не удается найти даже через десятилетия поисков. Поэтому некоторые ученые считают довольно экзотические гипотетические элементарные частицы — аксионы — одними из главных кандидатов на роль темной материи. Считается, что она составляет большую часть массы во Вселенной и «склеивает» галактики в единую структуру. Недавно исследовательская группа из Калифорнийского университета (США) предположила, что аксионы могут возникать в недрах взрывающихся сверхновых и преобразовываться в гамма-лучи под воздействием магнитных полей родительских звезд.
Чтобы объяснить возникновение бозона в результате спонтанного нарушения симметрии Печчеи — Квинн, в 1977 году физики ввели аксион — гипотетически нейтральную частицу. Согласно одноименной теории, аксион призван решить сильную CP-проблему в квантовой хромодинамике, где C означает симметрию зарядового сопряжения (процесс замены частицы на соответствующую античастицу, например, электрона на позитрон), а P — симметрию четности (то есть зеркальное отражение пространственных координат).
Из этой теории следует, что аксион вступает во взаимодействие (хоть и слабое) с четырьмя фундаментальными силами: гравитацией, электромагнетизмом, сильным взаимодействием (удерживает атомы вместе) и слабым взаимодействием (объясняет распад атомов). При этом в сильном магнитном поле он превращается в электромагнитные волны или фотоны.
Вот почему этот «кирпичик» мироздания привлекли для объяснения природы темной материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением (то есть не поддается непосредственному наблюдению), из-за чего опознать ее можно лишь по гравитационному воздействию на космические объекты. Однако продолжающиеся поиски аксиона до сих пор не увенчались успехом. Впрочем, как и самой темной материи.
Тем не менее авторы нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, предложили новый подход к решению одной из главных загадок астрофизики: с помощью компьютерного моделирования они показали, что аксионы, возникающие в недрах взрывающихся звезд, могут преобразовываться в гамма-лучи под действием магнитных полей, окружающих родительское светило.
Напомним, в 1987 году астрономы наблюдали взрыв сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке и зафиксировали исходящий от вспышки поток нейтрино. Это событие стало подтверждением теоретических моделей взрывов сверхновых и помогло установить жесткие ограничения на свойства аксионов.
Таким образом, если бы эти гипотетические частицы с малой массой возникли во время первой стадии эволюции нейтронный звезды (proto-neutron star (PNS)) — образуется сразу после коллапса ядра массивного светила, — то покинули бы ее и преобразовались в гамма-лучи в магнитных полях галактики. Однако отсутствие гамма-всплеска, совпадающего с нейтринным сигналом от взрыва сверхновой SN1987A, позволило исключить определенные параметры аксионов.
Теперь, рассмотрев частицы с большей массой, авторы нового исследования учли дополнительные процессы их возникновения в недрах звезд. Ключевым открытием стало преобразование аксионов в гамма-лучи не в галактических магнитных полях, а в сильных магнитных полях звезд-прародительниц. В этом случае аксионы, если они существуют, будут образовываться в течение первых 10 секунд после коллапса ядра массивной звезды в нейтронную звезду.
«Нейтронные звезды обладают множеством преимуществ. Это чрезвычайно горячие объекты, а их сильные магнитные поля помогают преобразовывать аксионы в наблюдаемые сигналы», — объяснили астрофизики.
Полученные результаты открывают новую главу в поиске аксионов: обнаружить эти строительные «блоки» мироздания можно, наблюдая за начальным этапом вспышек сверхновых звезд. Еще одно необходимое условие — наблюдение за сверхновыми в Млечном Пути и его окрестностях: так гамма-лучи будут достаточно яркими для обнаружения. Сегодня на это способен единственный космический гамма-телескоп Ферми, однако, учитывая его поле зрения, шансы на успех невелики.
По этой причине авторы научной работы предлагают создать новую космическую гамма-обсерваторию под названием GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS). Проект подразумевает запуск сети спутников, способных одновременно наблюдать все небо в гамма-диапазоне, что позволит оперативно фиксировать гамма-всплески от будущих сверхновых в Млечном Пути.
Такой подход, по мнению ученых, существенно повысит шансы обнаружить аксионы (которые прекрасно вписываются в Стандартную модель) и, следовательно, понять природу таинственной темной материи. Авторы исследования также отметили, что создание последовательной теории гравитации в сочетании с квантовой механикой, в которой не было бы частиц, подобных аксиону, кажется почти невозможным.
Telegram 
Дзен 
VK 
