Найближча наднова може покласти край пошукам темної матерії

Пошуки темної матерії у Всесвіті можуть закінчитися завтра — якщо поблизу з’явиться наднова і трохи пощастить. Природа темної матерії вислизала від астрономів протягом 90 років, відколи усвідомили, що 85% матерії у Всесвіті не видно в наші телескопи. Найімовірнішим кандидатом у темну матерію сьогодні є аксіон, легка частинка, яку відчайдушно намагаються знайти дослідники з усього світу.

Астрофізики з Каліфорнійського університету в Берклі тепер стверджують, що аксіон можна було виявити протягом декількох секунд після виявлення гамма-променів від вибуху наднової поблизу. Аксіони, якщо вони існують, вироблятимуться у величезних кількостях протягом перших 10 секунд після колапсу ядра масивної зірки на нейтронну зірку, і ці аксіони втечуть і перетворюватимуться на гамма-промені високої енергії в інтенсивному магнітному полі зірки. .

Таке виявлення сьогодні можливе лише в тому випадку, якщо єдиний гамма-телескоп на орбіті, космічний гамма-телескоп Фермі, спрямований у напрямку наднової зірки під час її вибуху. Враховуючи поле зору телескопа, це приблизно один шанс із 10.

З усім тим, одне виявлення гамма-променів дозволило б точно визначити масу аксіона, зокрема так званого аксіона КХД, у величезному діапазоні теоретичних мас, включаючи діапазони мас, які зараз досліджуються в експериментах на Землі. Відсутність виявлення, однак, усуне великий діапазон потенційних мас для аксіона і зробить більшість сучасних пошуків темної матерії неактуальними.

Проблема полягає в тому, що для того, щоб гамма-промені були достатньо яскравими для виявлення, наднова має бути поблизу — у межах нашої галактики Чумацький Шлях або однієї з її галактик-супутників — а сусідні зірки вибухають лише в середньому кожні кілька десятиліть. Остання наднова поблизу була в 1987 році у Великій Магеллановій Хмарі, одному із супутників Чумацького Шляху. У той час неіснуючий гамма-телескоп Solar Maximum Mission вказував у напрямку наднової, але він був недостатньо чутливим, щоб виявити прогнозовану інтенсивність гамма-променів, згідно з аналізом команди Каліфорнійського університету в Берклі.

«Якби ми побачили наднову, як-от наднову 1987A, за допомогою сучасного гамма-телескопа, ми б змогли виявити або виключити цей аксіон КХД, цей найцікавіший аксіон, у більшій частині простору його параметрів — по суті, у всьому параметрі простір, який неможливо дослідити в лабораторії, і більшу частину простору параметрів, який також можна дослідити в лабораторії», — сказав Бенджамін Сафді, Каліфорнійський університет у Берклі. доцент кафедри фізики та старший автор статті, опублікованої онлайн 19 листопада в журналі Physical Review Letters. «І все це станеться протягом 10 секунд».

Проте дослідники стурбовані тим, що коли наднова, яка давно очікувалася, спалахне в сусідньому Всесвіті, ми не будемо готові побачити гамма-промені, створені аксіонами. Зараз вчені спілкуються з колегами, які створюють гамма-телескопи, щоб оцінити доцільність запуску одного або групи таких телескопів, щоб охоплювати 100% неба 24/7 і бути впевненими, що вловлять будь-який гамма-сплеск. Вони навіть запропонували назву для свого сузір’я супутників гамма-випромінювання повного неба — GALactic AXion Instrument for Supernova, або GALAXIS.

«Я думаю, що всі ми, хто бере участь у цьому документі, відчувають напруження щодо наступної наднової, перш ніж у нас буде відповідне обладнання», — сказав Сафді. «Було б дуже прикро, якби завтра спалахнула наднова, і ми втратили можливість виявити аксіон — він міг би не повернутися ще через 50 років».

Співавторами Сафді є аспірант Юджін Парк і докторанти Клаудіо Андреа Манзарі та Інбар Саворай. Усі четверо є членами фізичного факультету Каліфорнійського університету в Берклі та групи теоретичної фізики Національної лабораторії Лоуренса Берклі.