Зіткнення нейтронних зірок проливають світло на таємниці темної матерії

Згідно з дослідженнями Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, злиття нейтронних зірок є скарбницею нових фізичних сигналів, що мають наслідки для визначення справжньої природи темної матерії.

17 серпня 2017 року Гравітаційно-хвильова обсерваторія лазерного інтерферометра (LIGO) у Сполучених Штатах та детектор Virgo в Італії виявили гравітаційні хвилі від зіткнення двох нейтронних зірок. Вперше цю астрономічну подію не тільки почули в гравітаційних хвилях, але й побачили у світлі десятки телескопів на землі та в космосі.

Дослідження аксіоноподібних частинок

Фізик Бхупал Дев із Мистецтв і Наук використав спостереження за цим злиттям нейтронних зірок — подія, ідентифікована в астрономічних колах як GW170817 — щоб отримати нові обмеження для аксіоноподібних частинок. Ці гіпотетичні частинки не спостерігалися безпосередньо, але вони з’являються в багатьох розширеннях стандартної моделі фізики.

Аксіони та аксіоноподібні частинки є провідними кандидатами на складання частини або всієї «відсутньої» матерії, або темної матерії, Всесвіту, яку вчені ще не змогли пояснити. Принаймні, ці слабко взаємодіючі частинки можуть служити своєрідним порталом, що з’єднує видимий сектор, про який люди знають багато, з невідомим темним сектором Всесвіту.

«У нас є вагомі підстави підозрювати, що нова фізика, що виходить за межі стандартної моделі, може бути не за горами», — сказав Дев, перший автор дослідження в Physical Review Letters і співробітник університетського Центру космічних наук МакДоннелла.

Дослідження зі злиття нейтронних зірок

Коли дві нейтронні зірки зливаються, на короткий час утворюється гарячий щільний залишок. Цей залишок є ідеальним середовищем для виробництва екзотичних частинок, сказав Дев. «Залишок стає набагато гарячішим, ніж окремі зірки, протягом приблизно секунди, перш ніж осісти у більшу нейтронну зірку або чорну діру, залежно від початкових мас», — сказав він.

Ці нові частинки тихо вислизають від уламків зіткнення і, далеко від свого джерела, можуть розпадатися на відомі частинки, зазвичай фотони. Дев і його команда, включаючи випускника WashU Стівена Гарріса (нині співробітник NP3M в Університеті Індіани), а також Жана-Франсуа Фортіна, Кувера Сіньха та Йончао Чжана, показали, що ці частинки, що втекли, створюють унікальні електромагнітні сигнали, які можна виявити за допомогою гамма-телескопи, такі як Fermi-LAT НАСА.

Дослідницька група проаналізувала спектральну та часову інформацію з цих електромагнітних сигналів і визначила, що вони можуть відрізнити сигнали від відомого астрофізичного фону. Потім вони використали дані Fermi-LAT для GW170817, щоб отримати нові обмеження на аксіонно-фотонний зв’язок як функцію маси аксіона. Ці астрофізичні обмеження доповнюють обмеження, отримані в результаті лабораторних експериментів, таких як експеримент Axion Dark Matter eXperiment (ADMX), який досліджує іншу область простору параметрів аксіону.

Майбутні перспективи фізики елементарних частинок

У майбутньому вчені зможуть використовувати наявні космічні гамма-телескопи, як-от Fermi-LAT, або запропоновані гамма-місії, як-от Advanced Particle-Astrophysics Telescope (APT) під керівництвом WashU, для проведення інших вимірювань під час зіткнень нейтронних зірок і допомогти покращити їхнє розуміння аксіоноподібних частинок.

«Надзвичайні астрофізичні середовища, такі як злиття нейтронних зірок, відкривають нове вікно можливостей у наших пошуках частинок темного сектора, таких як аксіони, які можуть тримати ключ до розуміння відсутніх 85% усієї матерії у Всесвіті», — сказав Дев.