Неутронните звезди може да са обвити в облаци от аксиони

Ваня Милева Последна промяна на 22 октомври 2024 в 00:00 1279 0

облак от аксиони

Кредит UvA
Облак от аксиони около неутронна звезда. Макар че някои аксиони успяват да избягат от гравитацията на звездата, много други остават свързани със звездата и с течение на времето образуват облак около нея. Взаимодействието със силното магнитно поле на неутронната звезда позволява аксионите да се превърнат във фотони - светлина, която в крайна сметка можем да открием с телескопите на Земята.

Теоретични изключително леки частици, наречени аксиони, могат да се появят в големи облаци около неутронни звезди.

Тези аксиони могат да обяснят неуловимата тъмна материя, която космолозите търсят, но и нещо повече, те могат да бъдат наблюдавани, доказва в статия екип физици от университетите в Амстердам, Принстън и Оксфорд.

Наскоро публикуваното в списание Physical Review X ново изследване е продължение на предишна работа, в която авторите също са изследвали аксионите и неутронните звезди, но от съвсем различен ъгъл.

Докато в предишната си работа те изследват аксионите, които се измъкват от неутронната звезда, сега изследователите насочват вниманието си към аксионите, които остават там - аксионите, уловени от гравитацията на звездата.

С течение на времето тези частици би трябвало постепенно да образуват облак около неутронната звезда и се оказва, че такива аксионни облаци могат да бъдат открити със съвременните телескопи.

Но защо астрономите и физиците се интересуват толкова много от мъгляви облаци около далечни звезди?

Аксиони: от сапун до тъмна материя

Протони, неутрони, електрони, фотони - повечето от нас знаят имената на поне някои от тези малки частици. Аксионите не са толкова популярни, и то по очевидна причина: понастоящем те са само хипотетичен вид частици - такива, които все още никой не е открил.

Наречени са на марка сапун и за пръв път са предположени през 70-те години на миналия век, за да се премахне петното - откъдето идва и препратката към сапуна - в разбирането ни за друга частица, която много добре може да се наблюдава: неутрона.

Въпреки че теоретично са много привлекателни, ако тези аксиони съществуваха, те щяха да бъдат изключително леки, което ги прави много трудни за откриване при експерименти или наблюдения.

Днес аксионите са известни и като един от основните кандидати за обяснение на тъмната материя - една от най-големите загадки в съвременната физика. Много различни доказателства сочат, че около 85 % от материята в нашата Вселена е "тъмна", което просто означава, че тя не е нито един вид от познатите ни и наблюдавани в момента вещества.

Съществуването на тъмната материя се предполага само косвено чрез гравитационното влияние, оказвано върху видимата материя. За щастие, това не означава автоматично, че тъмната материя изобщо няма други взаимодействия с видимата материя, но ако такива взаимодействия съществуват, тяхната сила със сигурност е твърде слаба. Така че, както подсказва името, всеки реалистичен кандидат за тъмна материя е изключително трудно да бъде наблюдаван пряко.

Изводът е очевиден: физиците осъзнават, че аксионът може да е точно това, което търсят, за да решат проблема с тъмната материя. Частица, която все още не е наблюдавана, която би била изключително лека и би имала много слаби взаимодействия с други частици - не може ли аксионът да бъде поне част от обяснението на тъмната материя?

Неутронните звезди като лупи

Идеята за аксиона като частица от тъмната материя е хубава, но във физиката една идея има истински успех само когато има наблюдаеми последствия. Възможно ли е да има начин да се наблюдават аксиони петдесет години след като за първи път бе предложено тяхното възможно съществуване?

Очакванията са, че аксионите, когато са изложени на електрически и магнитни полета, могат да се превърнат във фотони - частици светлина - и обратно. Светлината е нещо, което можем да наблюдаваме, но както бе споменато, съответната сила на взаимодействие би трябвало да е много малка, както и количеството светлина, което аксионите обикновено произвеждат. Или освен ако не се намери среда, която съдържа наистина огромно количество аксиони и която в идеалния случай има много силни електромагнитни полета.

Това подтиква изследователите да разгледат неутронните звезди: звездите в нашата Вселена с най-висока плътност. Тези обекти имат маса, подобна на тази на нашето Слънце, но са компресирани в звезди с размери от 12 до 15 километра. Такава екстремна плътност създава също толкова екстремна среда, която, по удивителен начин, съдържа и огромни магнитни полета, милиарди пъти по-силни от тези, които се срещат на Земята. 

Последните изследвания показват, че ако аксионите съществуват, тези магнитни полета позволяват на неутронните звезди да произвеждат масово тези частици близо до повърхността си.

Отклонилите се

В по-ранната си работа авторите са се фокусирали върху аксионите, които са избягали от звездата след производството им: те са изчислили количествата, в които тези аксиони биха били произведени, какви траектории биха следвали и как превръщането им в светлина би могло да доведе до слаб, но потенциално наблюдаем сигнал. Този път те изучават аксионите, които НЕ успяват да избягат - тези, които въпреки малката си маса са в плен на огромната гравитация на неутронната звезда.

В резултат на много слабите взаимодействия на аксионите тези частици се задържат наблизо и във времеви мащаби до милиони години се събират около неутронната звезда. Това може да доведе до образуването на много плътни облаци от аксиони около неутронните звезди - облаци, които предлагат нови възможности за изследване на аксионите.

В статията си изследователите изучават образуването, свойствата и по-нататъшната еволюция на тези аксионни облаци и посочват, че тези облаци могат, а в много случаи и трябва да съществуват.

Всички активни неутронни звезди трябва да бъдат заобиколени от плътни аксионни облаци, ако аксионът има маса в определен диапазон.

Всъщност авторите твърдят, че ако аксионните облаци съществуват, те трябва да са универсални (за широк диапазон от свойства на аксиона те трябва да се образуват около повечето, а може би дори и около всички неутронни звезди), като цяло трябва да са много плътни (образувайки плътност, която може би е двадесет порядъка по-голяма от локалната плътност на тъмната материя) и следователно трябва да водят до мощни наблюдателни сигнали. Тези сигнали могат да бъдат различни видове, от които авторите разглеждат два: непрекъснат сигнал, излъчван през голяма част от живота на неутронната звезда, както и единичен светлинен сигнал в края на живота на такава звезда, когато тя спира да произвежда електромагнитно излъчване.

И двата сигнала могат да бъдат наблюдавани и използвани за изследване отвъд сегашните граници на взаимодействието между аксиони и фотони, дори вече със съществуващите радиотелескопи.

Как трябва да се действа?

Въпреки че досега не са наблюдавани аксионни облаци, благодарение на новите резултати се знае много точно какво да се търси, което прави задълбоченото търсене на аксиони много по-възможно. Затова първата точка в списъка със задачи е "търсене на аксионни облаци", но работата открива и няколко нови теоретични направления за изследване.

Например един от авторите вече работи върху продължение на изследването на това как аксионните облаци могат да променят динамиката на самите неутронни звезди.

Друга важна бъдеща изследователска насока е компютърното моделиране на аксионните облаци: настоящата работа показва голям потенциал за открития, но е необходимо още компютърно моделиране, за да се знае още по-точно какво и къде да се търси.

И накрая, всички настоящи резултати са за единични неутронни звезди, но много от тях се срещат като компоненти на двойни звезди - понякога заедно с друга неутронна звезда, понякога заедно с черна дупка.

Познаването на физиката на аксонните облаци в такива системи и евентуално разбирането на техните наблюдателни сигнали би било много ценно.

Така настоящото изследване представлява важна стъпка в една нова и вълнуваща изследователска посока. Пълното разбиране на аксионните облаци изисква допълващи се усилия от множество научни области, включително физика на (астро)частиците, физика на плазмата и наблюдателна радиоастрономия. Статията отваря вратата за тази нова, интердисциплинарна област, с много възможности за бъдещи изследвания.

Справка: Axion Clouds around Neutron Stars, Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu, Christoph Weniger, Samuel J. Witte, Physical Review X 14, 041015 (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.041015

Източник: Shrouded in axions, University of Amsterdam

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !