Моделирование охлаждения нейтронных звезд накладывает новые ограничения на легкие КХД-аксионы

Астрофизические и экспериментальные ограничения на пространство параметров аксионов. Область, обозначенная красным как «нейтронные звезды», представляет собой пространство параметров, исключенное из нашего исследования. Желтая линия с надписью «Аксион КХД» указывает на наиболее естественные и теоретически обоснованные модели аксионов КХД. Этот график является модифицированной версией того, который доступен по адресу https://cajohare.github.io/AxionLimits/. Автор: Гомес-Баньон и др.

Нейтронные звезды, остатки массивных звезд после взрыва сверхновой, часто становятся объектом исследований, направленных на проверку и раскрытие экзотической физики. Это связано с тем, что эти звезды являются одними из самых плотных объектов во Вселенной, поэтому в них наблюдаются чрезвычайно высокие температуры и давление.

Недавние теоретические исследования показали возможность того, что аксионы квантовой хромодинамики (КХД), элементарные частицы, которые, как предполагается, возникают в результате так называемого механизма Печчеи-Куинна, влияют на свойства нейтронных звезд. Взаимодействуя с нуклонами, эти частицы могут изменять структуру нейтронных звезд, что, в свою очередь, может повлиять на их охлаждение.

Основываясь на этой идее, исследователи из Университета Аликанте и Технического университета Мюнхена недавно смоделировали процессы охлаждения нейтронных звезд и сравнили их с теоретическими предсказаниями, чтобы исследовать ранее неисследованные области пространства аксионных параметров. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, устанавливает новые ограничения на легкие КХД-аксионы, которые могут помочь в будущих поисках этих экзотических частиц.

"Это исследование возникло в результате дискуссий о том, как гипотетическая частица, подобная аксиону КХД, может влиять на свойства ядерной материи", - сказал Антонио Гомес-Баньон, первый автор статьи Phys.org. "Мы поняли, что при достаточном освещении аксион КХД может изменять размер оболочки нейтронной звезды, внешнего слоя, который регулирует ее охлаждение".

Основная цель недавней работы Гомеса-Баньона и его коллег состояла в том, чтобы определить, может ли влияние КХД-аксиона на оболочку нейтронной звезды значительно ускорить охлаждение звезды, что противоречило бы предыдущим наблюдениям. Для этого они сначала рассмотрели, как аксион КХД может влиять на энергию и давление ядерного вещества внутри нейтронных звезд.

Кривые охлаждения нейтронных звезд, на которые влияет наличие аксионного поля КХД, показаны цветом. Серая область иллюстрирует типичный диапазон изменчивости кривых охлаждения обычных нейтронных звезд, согласующийся с наблюдениями. Через 0,1 миллиона лет светимость трех цветных кривых падает на порядки ниже наблюдаемой. Автор: Гомес-Баньон и др.

"Используя это понимание, мы затем решили дифференциальные уравнения, описывающие баланс сил между аксионным полем КХД, ядерной материей и гравитацией внутри нейтронной звезды", - пояснил Гомес-Баньон. "Наши решения показали, что оболочка нейтронной звезды становится значительно тоньше при определенных параметрах аксиона".

Моделирование и анализ, проведенные Гомесом-Баньоном и его коллегами, показывают, что когда оболочка нейтронной звезды становится тоньше, она становится менее изолированной, что приводит к более быстрому охлаждению. Чтобы еще больше подтвердить это предсказание, они включили свои уравнения равновесия в моделирование охлаждения нейтронной звезды и посмотрели, как температура нейтронной звезды меняется с течением времени.

"Как и ожидалось, кривые охлаждения, полученные в результате моделирования, предсказывали, что нейтронные звезды в данном возрасте были холоднее, чем при наблюдениях", - сказал Гомес-Баньон. «Это несоответствие позволяет нам наложить новые ограничения на параметры аксиона КХД».

Моделирование и анализ, проведенные этой командой исследователей, исключили новую область в пространстве аксионных параметров КХД. Кроме того, в их работе предлагается альтернативный подход к установлению ограничений на эти гипотетические частицы, основанный на наблюдениях нейтронных звезд.

"В отличие от предыдущих оценок, основанных на излучении аксионов и потере энергии, наш подход основан на том, как аксионное поле КХД изменяет структуру нейтронной звезды, сжимая ее оболочку и ускоряя охлаждение", - добавил Гомес-Баньон.

"В наших следующих исследованиях мы планируем сосредоточиться на поиске астрофизических сценариев, которые могли бы ограничить «аксионную линию КХД», область аксионных масс, где находятся многие теоретически обоснованные модели, но которую сложно исследовать. Исключение частей этой области будет представлять собой значительный прогресс".

Большая энциклопедия: Antonio Gómez-Bañón и др., «Ограничение легких КХД-аксионов при охлаждении изолированной нейтронной звезды», Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251002.