Нейтронные звезды могут стать ключом к пониманию неуловимой темной материи

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Ученые могут оказаться на шаг ближе к разгадке одной из величайших загадок Вселенной после того, как подсчитали, что нейтронные звезды могут содержать ключ к пониманию неуловимой темной материи.

В статье, опубликованной в журнале Journal of Cosmology and Astroarticle Physics, физики из Центра передового опыта ARC по физике частиц темной материи под руководством Мельбурнского университета рассчитали, что энергия, передаваемая при столкновении и аннигиляции частиц темной материи внутри холодных мертвых нейтронных звезд, может очень быстро разогреть звезды.

Ранее считалось, что эта передача энергии может занять очень много времени, в некоторых случаях больше, чем возраст самой Вселенной, что делает этот нагрев неактуальным.

Профессор Николь Белл из Мельбурнского университета заявила, что новые расчеты впервые показывают, что большая часть энергии будет выделена всего за несколько дней.

«Это означает, что наши телескопы не могут напрямую наблюдать её, хотя мы знаем, что она существует. Вместо этого её гравитационное притяжение к объектам, которые мы видим, говорит нам, что она должна быть там».

«Одно дело — теоретически предсказать темную материю, но совсем другое — экспериментально наблюдать ее. Эксперименты на Земле ограничены техническими проблемами создания достаточно больших детекторов. Однако нейтронные звезды действуют как огромные естественные детекторы темной материи, которые собирали темную материю в течение астрономически длительного периода времени, поэтому они являются для нас хорошим местом для концентрации наших усилий», — сказала профессор Белл.

Нейтронные звезды образуются, когда у сверхмассивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует. Нейтронные звезды имеют массу, подобную массе нашего Солнца, сжатого в сферу шириной всего 20 км. Если бы они были более плотными, они стали бы черными дырами.

«Хотя темная материя является доминирующим типом материи во Вселенной, ее очень трудно обнаружить, поскольку ее взаимодействие с обычной материей очень слабое. Фактически, настолько слабое, что темная материя может проходить прямо через Землю или даже через солнце.

«Но нейтронные звезды разные — они настолько плотны, что частицы темной материи с гораздо большей вероятностью будут взаимодействовать со звездой. Если частицы темной материи действительно столкнутся с нейтронами в звезде, они потеряют энергию и попадут в ловушку. Со временем это привело бы к накоплению темной материи в звезде», — сказала профессор Белл.

Кандидат наук Мельбурнского университета Майкл Виргато сказал, что это, как ожидается, разогреет старые, холодные нейтронные звезды до уровня, который может быть доступен для будущих наблюдений, или даже спровоцирует коллапс звезды в черную дыру.

«Если передача энергии произойдет достаточно быстро, нейтронная звезда нагреется. Чтобы это произошло, темная материя должна претерпеть множество столкновений в звезде, передавая все больше и больше энергии темной материи, пока, в конце концов, вся энергия не будет сосредоточена в звезде», — сказал г-н Виргато.

Ранее было неизвестно, сколько времени займет этот процесс, поскольку по мере того, как энергия частиц темной материи становится все меньше и меньше, вероятность их повторного взаимодействия становится все меньше и меньше. В результате считалось, что передача всей энергии займет очень много времени — иногда больше, чем возраст Вселенной. Вместо этого исследователи подсчитали, что 99% энергии передается всего за несколько дней.

«Это хорошая новость, потому что это означает, что темная материя может нагревать нейтронные звезды до уровня, который потенциально может быть обнаружен. В результате наблюдение холодной нейтронной звезды предоставит жизненно важную информацию о взаимодействиях между темной и обычной материей, проливая свет о природе этого неуловимого вещества.

«Если мы хотим понять темную материю, которая есть повсюду, очень важно использовать все имеющиеся в нашем распоряжении методы, чтобы выяснить, что на самом деле представляет собой скрытую материю нашей Вселенной», — сказал г-н Виргато.

Это исследование было проведено группой международных экспертов в Центре передового опыта в области физики частиц темной материи ARC, в том числе профессорами Николь Белл и Майклом Виргато из Мельбурнского университета, доктором Джорджио Бузони из Австралийского национального университета и доктором Сандрой Роблес из Национальной ускорительной лаборатории Ферми, США.

Больше информации: Nicole F. Bell et al, Thermalization and annihilation of dark matter in neutron stars, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI: 10.1088/1475-7516/2024/04/006

Источник: University of Melbourne