Фізики запропонували використовувати нейтронні зірки для виявлення темної матерії

Прагнення розкрити природу темної матерії - одне з найбільших завдань сучасної науки, але ключ до остаточного розуміння цієї загадкової субстанції цілком може бути в зірках. Або в одному особливому типі зірок - нейтронна зірка.

Досі вчені могли зробити висновок про існування темної матерії за непрямими ознаками, але не спостерігали її безпосередньо. Насправді виявлення частинок темної матерії в експериментах на Землі - неймовірно складне завдання, тому що взаємодії частинок темної матерії зі звичайною матерією надзвичайно рідкісні.

Для пошуку цих неймовірно рідкісних сигналів потрібен дуже великий детектор - можливо, настільки великий, що його неможливо побудувати на Землі. Однак Природа надає альтернативний варіант у вигляді нейтронних зірок - така зірка може виступати як детектор темної матерії.

У дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters, австралійські вчені визначили, як набагато більш точно використовувати інформацію, отриману за допомогою цих унікальних природних детекторів темної матерії.

Нейтронні зірки - це найщільніші зірки, які, як відомо, існують і утворюються, коли гігантські зірки вмирають в результаті вибуху наднових. Позаду знаходиться стиснуте ядро, в якому гравітація стискає матерію так сильно, що протони і електрони об'єднуються, утворюючи нейтрони. При масі, порівнянній з масою Сонця і радіусом в 10 кілометрів, одна чайна ложка речовини нейтронної зірки має масу близько мільярда тонн!

Ці зірки є «космічними лабораторіями», що дозволяють вивчати, як темна матерія поводиться в екстремальних умовах, які неможливо відтворити на Землі.

Темна матерія дуже слабо взаємодіє зі звичайною матерією. Наприклад, вона може пройти через стіну зі свинцю товщиною в світловий рік (близько 10 трильйонів кілометрів), не зупиняючись. Неймовірно, але нейтронні зірки настільки щільні, що можуть вловлювати частинки темної матерії, які проходять через них.

Теоретично частинки темної матерії зіткнуться з нейтронами в зірці, втратять енергію і опиняться в гравітаційній пастці. З часом частинки темної матерії будуть накопичуватися в ядрі зірки. Очікується, що це розігріє старі, холодні нейтронні зірки до рівня, який може бути доступний для майбутніх спостережень. У крайніх випадках накопичення темної матерії може спровокувати колапс зірки в чорну діру.

Це означає, що нейтронні зірки можуть дозволити досліджувати певні типи темної матерії, які було б важко або неможливо спостерігати в експериментах на Землі.

На Землі експерименти з темною матерією шукають крихітні сигнали ядерної віддачі, викликані неймовірно рідкісними зіткненнями повільно рухомих частинок темної матерії. Для порівняння: сильне гравітаційне поле нейтронної зірки прискорює темну матерію до майже релятивістських швидкостей, що призводить до зіткнень з набагато більшою енергією.

Інша проблема для виявлення на Землі полягає в тому, що експерименти найбільш чутливі до частинок темної матерії, які мають масу, аналогічну атомним ядрам, що ускладнює виявлення темної матерії, яка може бути набагато легше або важче.

Однак частинки темної матерії теоретично можуть бути захоплені зірками і планетами в значних кількостях, незалежно від того, наскільки вони легкі або важкі.

Найважливішим завданням при використанні нейтронних зірок для виявлення темної матерії є забезпечення того, щоб розрахунки, які використовуються вченими, повністю враховують унікальне оточення зірки. Хоча захоплення темної матерії нейтронними зірками вивчається протягом десятиліть, існуючі розрахунки упускають з уваги важливі фізичні ефекти.

Фізики з Університету Мельбурна приступили до внесення ключових поліпшень в розрахунок швидкості захоплення темної матерії, тобто того, наскільки швидко темна матерія накопичується в нейтронних зірках, що значно змінило відповіді.

Дослідження враховує структуру нуклонів, а не розглядає нейтрони як точкові частинки, і включає ефекти сильних сил між нуклонами, а не моделює нейтрони як вільний газ частинок. Це засновано на їх більш ранній роботі, в якій вчені включили склад зірки, релятивістські ефекти, квантову статистику і гравітаційне фокусування.

Простіше кажучи, вони показали, як правильно думати про зіткнення темної матерії в екстремальному середовищі нейтронних зірок, яка так сильно відрізняється від детекторів темної матерії на Землі.

Це нове дослідження значно підвищує точність і надійність оцінок швидкості захоплення темної матерії і відкриває шлях до більш точного визначення сили взаємодії темної матерії зі звичайною матерією.

Зрештою докази (або відсутність доказів) накопичення темної матерії в зірках дадуть цінні підказки про те, куди націлити експериментальні зусилля на Землі, допомагаючи розкрити велику таємницю темної матерії.