Звезды-зомби указали физикам, где не стоит искать темную материю
Как однажды заметил физик Кумрун Вафа, научные загадки часто возникают парами, и решение одной неожиданно проясняет другую. Именно в таком ключе астрофизики из Канады подошли к исследованию белых карликов и аксионов — гипотетических частиц, которые давно считаются одним из главных кандидатов на роль темной материи.
Речь идет о недавнем иссследовании Университета Британской Колумбии, опубликованном в arXiv. Авторы сразу подчеркивают, что не обнаружили доказательств существования аксионов. Однако их работа позволила установить важное ограничение, которое сужает круг возможных путей поиска темной материи.
Откуда взялись аксионы
Аксионы появились в теории еще в конце 1970-х годов. Изначально их предложили как элегантное решение одной из проблем квантовой физики, связанной с нарушением симметрии между материей и антиматерией. Частица получилась почти идеальной для теории, но крайне неудобной для эксперимента. Предполагалось, что аксионы имеют крошечную массу и почти ни с чем не взаимодействуют.
Со временем интерес к ним угас, но затем аксионы вернулись в центр внимания уже в другом контексте. Астрономические наблюдения показывают, что около 85% вещества во Вселенной приходится на темную материю. Она не излучает свет и почти не взаимодействует с обычным веществом. По этим свойствам аксионы выглядят удивительно подходящим кандидатом.
Зачем ученые изучают мертвые звезды
Белые карлики — это плотные звездные остатки, ядра умерших звезд, которые уже не производят энергию за счет термоядерных реакций. Несмотря на колоссальную массу, они не коллапсируют под собственной гравитацией благодаря давлению электронного вырождения. Проще говоря, электроны не могут находиться в одинаковых квантовых состояниях, и это создает внутреннее сопротивление сжатию.
Именно поведение электронов сделало белые карлики интересными для охоты за аксионами. В ряде теорий предполагается, что быстро движущиеся электроны могут порождать эти частицы. Если аксионы действительно возникают, они легко покидают звезду, унося с собой энергию. Это должно приводить к ускоренному охлаждению белого карлика.
Проверка гипотезы
Исследователи проанализировали архивные данные телескопа «Хаббл» и провели серию компьютерных симуляций. Они сравнили, как должны остывать белые карлики с учетом аксионного охлаждения и без него. Затем результаты сопоставили с наблюдениями звезд в шаровом скоплении 47 Тукана, где таких объектов особенно много.
Ожидаемого эффекта обнаружить не удалось. Белые карлики в этом скоплении охлаждаются так, будто аксионы в процессе не участвуют.
По словам ученых, эта работа позволила установить новый предел вероятности взаимодействия электронов с аксионами. Согласно расчетам, если такие процессы и происходят, то не чаще одного раза на триллион.
«Этот результат не исключает полностью существование аксионов, но он говорит о том, что электроны и аксионы вряд ли напрямую взаимодействуют друг с другом», — отметил в астрофизик Пол Саттер из Университета Джонса Хопкинса.
По его словам, это означает, что физикам придется искать более изобретательные способы обнаружения этих частиц.
Где не стоит искать темную материю
В итоге белые карлики сыграли роль своеобразных «звезд-зомби», которые не возродили надежду на открытие аксионов, но указали, где искать их бессмысленно. В науке о темной материи это не менее ценно, чем положительный результат. Чем точнее очерчены границы возможного, тем ближе исследователи к пониманию того, из чего на самом деле состоит Вселенная.