Владимир Моисеев – Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя (страница 16)
Декабрь 2020
Ученые использовали данные об излучении нейтронных звезд в радиодиапазоне для поиска аксионов — гипотетических элементарных частиц, претендующих на принадлежность к темной материи. Они воспользовались тем, что сильное магнитное поле от нейтронных звезд должно приводить к переходу темных аксионов в фотоны, которые уже можно зарегистрировать. Исследователям не удалось зарегистрировать такие процессы, но полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли другие эксперименты в части диапазона масс. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Существует множество предположений о форме, в которой могла бы существовать темная материя: от легчайших стерильных нейтрино до тяжелых вимпов. Одним из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи является темный аксион — гипотетическая сверхлегкая нейтральная элементарная частица.
Регистрация темных аксионов — крайне сложная задача: согласно предсказывающим их существование теориям, такие частицы очень слабо взаимодействуют с частицами Стандартной модели. Но в этом случае полезным для физиков обстоятельством является другая особенность темного аксиона, который может превращаться в фотон при взаимодействии с сильным магнитным полем с резонансной для аксиона частотой.
Группа ученых во главе с Джошуа Фостером (Joshua Foster) из Мичиганского университета использовали радиотелескоп Грин-Бэнк и Эффельсбергский радиотелескоп для наблюдения за рядом объектов, от которых ожидался яркий сигнал преобразования аксионов в фотоны, в том числе за центром Млечного Пути, а также за двумя близлежащими к нему нейтронными звездами RX J0720 и RX J0806.
Физикам нужно было перевести полученные результаты в ограничения на константу взаимодействия процесса перехода аксиона в фотон. Для этого ученые провели моделирование исследуемого процесса в окрестности изученных объектов, учтя их местоположение и прогнозируемые распределения плотности аксионной темной материи вокруг них, погрешность соответствующие вычислений для центра Млечного Пути оказалась сильно больше, чем для нейтронных звезд. Тем не менее, полученные ограничения на константу взаимодействия превзошли результаты эксперимента CAST в ЦЕРНЕ.
Авторы отмечают и то, что данное исследование — лишь первая попытка использовать нейтронные звезды в качестве проб существования аксионной темной материи, и что в дальнейшем продемонстрированный метод может быть улучшен для получения еще более строгих ограничений. Ученые возлагают большие надежды и на новые поколения радиотелескопов, с помощью которых можно будет на порядки увеличить чувствительность измерений.
Источником магнитного поля для перехода аксиона в фотон совсем не обязательно должна быть нейтронная звезда: в главе …. рассказано об эксперименте ADMX, в котором детектор самостоятельно генерирует магнитное поле в охлаждённой полости и регистрирует рожденные в ней фотоны.
nplus1.ru, 24 декабря 2020, Никита Козырев
https://nplus1.ru/news/2020/12/24/dark-matter-from-neutron-stars
Журнал Physical Review Letters. 2020
Джошуа Фостер (Joshua Foster) из Мичиганского университета
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.171301
Глава 11-3-12
Пульсары могут подсветить темную материю
Октябрь 2023
Вращающиеся нейтронные звезды могут быть «фабриками» по производству аксионов — гипотетических частиц темной материи, если она состоит именно из них. Ученые смоделировали работу такой «фабрики» и проверили расчеты на 27 пульсарах. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
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.
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.
naked-science, 10 октября 2023, Дарья Г.
https://naked-science.ru/article/astronomy/axions-near-pulsars
Physical Review Letters, октябрь 2023
Университет Джонса Хопкинса (США)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.111004
Часть 11-4
Млечный Путь и Солнечная система
Содержание
(том – часть – глава)
11-4-1. Тёмная материя в ближней Вселенной
11-4-2. В центре Млечного Пути обнаружены следы темной материи
11-4-3. У Земли предсказали существование «волос» из темной материи
11-4-4. В окрестностях Млечного Пути обнаружили следы темной материи
11-4-5. Гамма-излучение балджа Галактики не связано с темной материей
11-4-6. Физики предсказали «ураган» темной материи после столкновения Млечного Пути с другой галактикой
11-4-7. Физики возродили идею о сигнале темной материи из центра Галактики
11-4-8. Астрономы выяснили размеры темного гало нашей Галактики
11-4-9. На окраинах Млечного Пути не нашли нестабильной темной материи
11-4-10. Дополнительное излучение в центре Галактики не связано с распадом темной материи
11-4-11. Подтверждено существование таинственной темной материи в Млечном Пути
11-4-12. Темная материя замедляет вращение перемычки нашей Галактики
11-4-13. Ученые пересмотрели количество ультралегкой темной материи в Млечном Пути
Глава 11-4-1
Тёмная материя в ближней Вселенной
Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным) веществом, по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.