Fizycy zaproponowali, że aksjony, czyli teoretyczne cząstki, które mogą wyjaśniać ciemną materię, mogą gromadzić się w gęstych obłokach wokół gwiazd neutronowych ze względu na ich silne pola grawitacyjne.
Ostatnie badania sugerują, że te chmury aksjonów będą w końcu można zaobserwować poprzez ich interakcje z polami elektromagnetycznymi, przekształcając się w światło. Badania te oferują obiecującą nową metodę wykrywania ciemnej materii poprzez obserwację tych emisji za pomocą radioteleskopów, co stanowi ważny postęp zarówno w fizyce teoretycznej, jak i astronomii.
Zespół fizyków z uniwersytetów w Amsterdamie, Princeton i Oksfordzie odkrył, że niezwykle lekkie cząstki zwane aksjonami mogą tworzyć duże obłoki wokół gwiazd neutronowych. Osie te mogą potencjalnie wyjaśnić ciemną materię, jedną z najbardziej nieuchwytnych tajemnic kosmologii, a nawet mogą być łatwiejsze do obserwacji, niż wcześniej sądzono.
Ich odkrycia, opublikowane niedawno w Przegląd fizyczny Xopierać się na wcześniejszych badaniach. W swojej poprzedniej pracy zespół badał aksjony uciekające z gwiazd neutronowych. Jednak to nowe badanie skupia uwagę na osiach, które pozostają uwięzione przez intensywną grawitację gwiazdy. Oczekuje się, że z biegiem czasu cząstki te utworzą wokół nas mglistą chmurę gwiazda neutronowai wydaje się, że obłoki te można wykryć za pomocą obecnych teleskopów. Ale dlaczego astronomowie i fizycy tak chętnie badają te odległe, mgliste chmury?
Odsłonięcie natury osi
Protony, neutrony, elektrony, fotony – większość z nas zna nazwy przynajmniej niektórych z tych maleńkich cząstek. Aksjon jest mniej znany i nie bez powodu: w tej chwili jest to tylko a hipotetyczny rodzaj cząstki – takiej, której nikt jeszcze nie odkrył. Nazwany na cześć marki mydła, jego istnienie po raz pierwszy postulowano w latach 70. XX wieku, aby rozwiązać problem – stąd odniesienie do mydła – w naszym rozumieniu jednej z cząstek, które mogliśmy bardzo dobrze obserwować: neutronu. Jednakże, choć teoretycznie bardzo ładne, gdyby te aksiony istniały, byłyby niezwykle lekkie, co czyniłoby je bardzo trudnymi do wykrycia w eksperymentach i obserwacjach.
Dziś aksjony są również znane jako czołowy kandydat do wyjaśnienia ciemnej materii, jednej z największych tajemnic współczesnej fizyki. Wiele różnych dowodów sugeruje, że około 85% materii naszego Wszechświata jest „ciemna”, co oznacza po prostu, że nie składa się ona z żadnego rodzaju materii, którą znamy i którą możemy obecnie obserwować. Zamiast tego o istnieniu ciemnej materii wnioskuje się jedynie pośrednio na podstawie wpływu grawitacyjnego, jaki wywiera ona na materię widzialną. Na szczęście nie oznacza to automatycznie, że ciemna materia w ogóle nie wchodzi w żadne inne interakcje z materią widzialną, ale jeśli takie interakcje istnieją, ich siła jest z konieczności niewielka. Jak sama nazwa wskazuje, każdy realny kandydat na ciemną materię jest zatem niezwykle trudny do bezpośredniej obserwacji.
Podsumowując, fizycy zdali sobie sprawę, że aksjon może być dokładnie tym, czego szukają, aby rozwiązać problem ciemnej materii. Cząstka, której jeszcze nie zaobserwowano, która byłaby niezwykle lekka i miałaby bardzo słabe interakcje z innymi cząstkami… czy aksony mogą być przynajmniej częścią wyjaśnienia ciemnej materii?
Gwiazdy neutronowe i Aksjon Wykrywanie
Pomysł aksjonu jako cząstki ciemnej materii jest fajny, ale w fizyce pomysł jest naprawdę fajny tylko wtedy, gdy ma zauważalne konsekwencje. Czy mimo wszystko istniałby sposób na obserwację osi, pięćdziesiąt lat po tym, jak po raz pierwszy zaproponowano ich możliwe istnienie?
Oczekuje się, że aksiony wystawione na działanie pól elektrycznych i magnetycznych będą w stanie przekształcić się w fotony – cząstki światła – i odwrotnie. Światło to coś, co potrafimy obserwować, ale jak już wspomniano, odpowiadająca mu siła interakcji powinna być bardzo mała, podobnie jak ilość światła wytwarzanego na ogół przez aksony. To znaczy, chyba że weźmie się pod uwagę środowisko zawierające naprawdę ogromną liczbę aksjonów, najlepiej w bardzo silnych polach elektromagnetycznych.
To skłoniło badaczy do rozważenia gwiazd neutronowych, najgęstszych znanych gwiazd w naszym Wszechświecie. Obiekty te mają masy podobne do naszego Słońca, ale są skompresowane w gwiazdy o rozmiarach od 12 do 15 kilometrów. Tak ekstremalne gęstości tworzą równie ekstremalne środowisko, które w szczególności zawiera także ogromne pola magnetyczne, miliardy razy silniejsze niż jakiekolwiek, które znajdujemy na Ziemi. Niedawne badania wykazały, że jeśli aksje istnieją, to te pola magnetyczne pozwalają gwiazdom neutronowym na masową produkcję tych cząstek w pobliżu ich powierzchni.
Trwałe chmury Axion
W swojej poprzedniej pracy autorzy skupili się na aksjonach, które po wytworzeniu uciekły z gwiazdy – obliczyli, w jakiej ilości te osie zostaną wytworzone, jakie trajektorie będą podążać oraz w jaki sposób ich konwersja w światło może prowadzić do słabego, ale potencjalnie obserwowalnego sygnał. Tym razem biorą pod uwagę aksjony, którym nie udaje się uciec – czyli takie, które mimo niewielkiej masy zostają złapane przez ogromną grawitację gwiazdy neutronowej.
Z powodu bardzo słabych oddziaływań aksjonów cząstki te pozostaną w pobliżu gwiazdy neutronowej i w skali czasu sięgającej milionów lat będą gromadzić się wokół gwiazdy neutronowej. Może to skutkować powstaniem bardzo gęstych obłoków aksjonów wokół gwiazd neutronowych, co zapewnia nowe, niesamowite możliwości badań nad aksjonami. W swoim artykule naukowcy badają powstawanie, a także właściwości i dalszą ewolucję tych chmur aksjonów, wskazując, że powinny one, a w wielu przypadkach muszą istnieć.
W rzeczywistości autorzy argumentują, że jeśli aksjony istnieją, powinny istnieć chmury aksjonów ogólny (ze względu na szeroki zakres właściwości aksjonów powinny one tworzyć się wokół większości, a może nawet wszystkich gwiazd neutronowych), ogólnie powinny być bardzo gęsty (tworząc gęstość być może o dwadzieścia rzędów wielkości większą od lokalnych gęstości ciemnej materii) i z tego powodu powinny do tego prowadzić potężne sygnatury obserwacyjne.
Te ostatnie potencjalnie występują w wielu typach, z czego autorzy omawiają dwa: ciągły sygnał emitowany przez większą część życia gwiazdy neutronowej, ale także jednorazowy rozbłysk światła pod koniec życia gwiazdy neutronowej, kiedy przestaje ona wytwarzać jego promieniowanie elektromagnetyczne. Obie te sygnatury można zaobserwować i wykorzystać do badania interakcji między osiami i fotonami poza obecnymi ograniczeniami, nawet przy użyciu istniejących radioteleskopów.
Odkrywanie przyszłych badań nad osiami
Chociaż jak dotąd nie zaobserwowano żadnych chmur aksjonów, dzięki nowym wynikom wiemy bardzo dokładnie, czego szukać, co znacznie ułatwia dokładne wyszukiwanie aksjonów. Chociaż głównym punktem na liście zadań jest zatem „poszukiwanie chmur aksjonów”, praca otwiera także kilka nowych teoretycznych ścieżek do zbadania.
Po pierwsze, jeden z autorów jest już zaangażowany w dalsze prace, w ramach których bada, w jaki sposób chmury aksjonów mogą zmieniać dynamikę samych gwiazd neutronowych. Innym ważnym przyszłym kierunkiem badań jest modelowanie numeryczne chmur aksjonów: niniejszy artykuł pokazuje ogromny potencjał odkrywczy, ale potrzeba więcej modelowania numerycznego, aby jeszcze dokładniej wiedzieć, czego szukać i gdzie. Wreszcie, wszystkie obecne wyniki dotyczą pojedynczych gwiazd neutronowych, ale wiele z tych gwiazd pojawia się jako składniki układów podwójnych – czasami razem z inną gwiazdą neutronową, czasami razem z gwiazdą neutronową. czarna dziura. Zrozumienie fizyki chmur aksjonowych w takich układach i potencjalne zrozumienie ich sygnałów obserwacyjnych byłoby bardzo cenne.
Zatem niniejsza praca stanowi ważny krok w nowym, ekscytującym kierunku badań. Pełne zrozumienie chmur aksjonowych będzie wymagało uzupełniających wysiłków wielu dziedzin nauki, w tym (astro)fizyki cząstek, osocze fizyki i radioastronomii obserwacyjnej. Praca ta otwiera tę nową, interdyscyplinarną dziedzinę z wieloma możliwościami dla przyszłych badań.
Odniesienie: „Chmury Axion wokół gwiazd neutronowych” autorstwa Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu, Christoph Weniger i Samuel J. Witte, 17 października 2024 r., Przegląd fizyczny X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041015
