Пульсары могут подсветить темную материю

По оценкам ученых, примерно 85% вещества во Вселенной — темная материя. Но изучить ее нам не удается, потому что с обычной материей она взаимодействует будто бы исключительно гравитационно. Из темной материи не формируются звезды и галактики, хотя несколько лет назад астрономы предположили, что из темной материи могли быстро сформироваться первые сверхмассивные черные дыры во Вселенной.

Темная материя не поглощает, не испускает и не рассеивает излучение. По крайней мере в том объеме, который астрономы могли бы легко засечь современными инструментами. И все же встречаются небольшие расхождения в данных наблюдений и расчетов, которые ученые пробуют объяснить с помощью темной материи.

Так оптический фон Вселенной, измеренный космическим зондом New Horizons, оказался почти вдвое ярче, чем предсказывали теории и модели. Астрофизики из Университета Джонса Хопкинса (США) предположили, что это дополнительное свечение возникает из-за распада в мощных магнитных полях аксионов — одних из кандидатов в темную материю. Возможно, аксионы придают силу не только излучению фона.

Аксионы — гипотетические частицы, предложенные в 1970-х в качестве объяснения несовпадений расчетов с наблюдениями внутренних процессов в нейтронах. Даже само название произошло от названия бренда стирального порошка, ведь частица должна была «очистить» несостыковку в данных. Многие ученые считают, что она поможет и в решении проблемы темной материи.

Найти аксионы пока не удалось, но команда физиков и астрономов из Нидерландов, Португалии и США разработала теоретическую основу возникновения и поведения аксионов. Их исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Пульсар в представлении художника / © NASA’s Goddard Space Flight Center

Исходя из изначальных предположений о сущности аксионов ученые сделали вывод, что эти частицы не могут возникать во Вселенной повсеместно, но в присутствии мощных электромагнитных полей они должны распадаться на фотоны. Самые мощные электромагнитные поля — у пульсаров, вращающихся нейтронных звезд. Более того, пульсары, будучи мощнейшими магнитами, могут заодно быть «фабриками» по производству аксионов из фотонов. Значит, нужно приглядеться к пульсарам: «лишнее» излучение, как в случае с фоном Вселенной, может быть следствием распадающихся аксионов.

В новом исследовании ученые разработали теоретическую основу работы такой «фабрики» и рассчитали, насколько ярче должно быть излучение пульсара. Затем группа проверила свои предположения на данных наблюдений за 27 пульсарами.

К сожалению, им не удалось засечь «лишнее» излучение — возможно, проблема в том, что мы не до конца понимаем природу излучения самих пульсаров. Но зато, как оптимистично заявили авторы работы, им удалось наложить ограничения на параметры взаимодействия аксионов с излучением. Причем расчеты проводили в полной независимости от предположений об участии этих частиц в составе темной материи.

Весной в исследовательском центре DESY (Германия) стартовал эксперимент ALPS II по превращению фотонов в аксионы и обратно в фотоны. Полной чувствительности ученые собирались достичь во второй половине этого года. А в следующем — модернизировать систему зеркал. Первые результаты обещали опубликовать в 2024-м.

Стоит отметить, что многие астрофизики сегодня с большим сомнением воспринимают идеи о том, что темная материя состоит из частиц — неважно, аксионов или вимпов. Этому противоречат наблюдения за скоплениями галактик Пуля и Толстяк, показывающие такие скорости их сближения, которые несовместимы с трением, неизбежным для сценария, если темная материя состоит из частиц. В связи с этим все большую популярность набирают альтернативные объяснения ее природы.