Традиционных претендентов на роль частиц темной материи не удается найти даже через десятилетия поисков. Поэтому некоторые ученые считают довольно экзотические гипотетические элементарные частицы — аксионы — одними из главных кандидатов на роль темной материи. Считается, что она составляет большую часть массы во Вселенной и «склеивает» галактики в единую структуру. Недавно исследовательская группа из Калифорнийского университета (США) предположила, что аксионы могут возникать в недрах взрывающихся сверхновых и преобразовываться в гамма-лучи под воздействием магнитных полей родительских звезд.
Чтобы объяснить возникновение бозона в результате спонтанного нарушения симметрии Печчеи — Квинн, в 1977 году физики ввели аксион — гипотетически нейтральную частицу. Согласно одноименной теории, аксион призван решить сильную CP-проблему в квантовой хромодинамике, где C означает симметрию зарядового сопряжения (процесс замены частицы на соответствующую античастицу, например, электрона на позитрон), а P — симметрию четности (то есть зеркальное отражение пространственных координат).
Из этой теории следует, что аксион вступает во взаимодействие (хоть и слабое) с четырьмя фундаментальными силами: гравитацией, электромагнетизмом, сильным взаимодействием (удерживает атомы вместе) и слабым взаимодействием (объясняет распад атомов). При этом в сильном магнитном поле он превращается в электромагнитные волны или фотоны.
Вот почему этот «кирпичик» мироздания привлекли для объяснения природы темной материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением (то есть не поддается непосредственному наблюдению), из-за чего опознать ее можно лишь по гравитационному воздействию на космические объекты. Однако продолжающиеся поиски аксиона до сих пор не увенчались успехом. Впрочем, как и самой темной материи.
Тем не менее авторы нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, предложили новый подход к решению одной из главных загадок астрофизики: с помощью компьютерного моделирования они показали, что аксионы, возникающие в недрах взрывающихся звезд, могут преобразовываться в гамма-лучи под действием магнитных полей, окружающих родительское светило.
Напомним, в 1987 году астрономы наблюдали взрыв сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке и зафиксировали исходящий от вспышки поток нейтрино. Это событие стало подтверждением теоретических моделей взрывов сверхновых и помогло установить жесткие ограничения на свойства аксионов.
Таким образом, если бы эти гипотетические частицы с малой массой возникли во время первой стадии эволюции нейтронный звезды (proto-neutron star (PNS)) — образуется сразу после коллапса ядра массивного светила, — то покинули бы ее и преобразовались в гамма-лучи в магнитных полях галактики. Однако отсутствие гамма-всплеска, совпадающего с нейтринным сигналом от взрыва сверхновой SN1987A, позволило исключить определенные параметры аксионов.
Теперь, рассмотрев частицы с большей массой, авторы нового исследования учли дополнительные процессы их возникновения в недрах звезд. Ключевым открытием стало преобразование аксионов в гамма-лучи не в галактических магнитных полях, а в сильных магнитных полях звезд-прародительниц. В этом случае аксионы, если они существуют, будут образовываться в течение первых 10 секунд после коллапса ядра массивной звезды в нейтронную звезду.
«Нейтронные звезды обладают множеством преимуществ. Это чрезвычайно горячие объекты, а их сильные магнитные поля помогают преобразовывать аксионы в наблюдаемые сигналы», — объяснили астрофизики.
Полученные результаты открывают новую главу в поиске аксионов: обнаружить эти строительные «блоки» мироздания можно, наблюдая за начальным этапом вспышек сверхновых звезд. Еще одно необходимое условие — наблюдение за сверхновыми в Млечном Пути и его окрестностях: так гамма-лучи будут достаточно яркими для обнаружения. Сегодня на это способен единственный космический гамма-телескоп Ферми, однако, учитывая его поле зрения, шансы на успех невелики.
По этой причине авторы научной работы предлагают создать новую космическую гамма-обсерваторию под названием GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS). Проект подразумевает запуск сети спутников, способных одновременно наблюдать все небо в гамма-диапазоне, что позволит оперативно фиксировать гамма-всплески от будущих сверхновых в Млечном Пути.
Такой подход, по мнению ученых, существенно повысит шансы обнаружить аксионы (которые прекрасно вписываются в Стандартную модель) и, следовательно, понять природу таинственной темной материи. Авторы исследования также отметили, что создание последовательной теории гравитации в сочетании с квантовой механикой, в которой не было бы частиц, подобных аксиону, кажется почти невозможным.