Гамма-телескопы, наблюдающие за столкновениями нейтронных звёзд, могут стать ключом к определению состава тёмной материи. Согласно одной из ведущих теорий, объясняющих тёмную материю, она состоит в основном из гипотетических частиц, называемых аксионами. Если аксион создаётся в интенсивной энергетической среде слияния двух нейтронных звёзд, он должен распадаться на фотоны гамма-излучения, которые мы можем увидеть с помощью космических телескопов, таких как Fermi-LAT.

Около 130 миллионов лет назад произошло сильное столкновение пары нейтронных звёзд. Мощные гравитационные волны от столкновения излучались наружу со скоростью света, а вскоре после этого последовала мощнейшая вспышка радиоизлучения. 17 августа 2017 года гравитационные волны достигли Земли и были зафиксированы обоими детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США и интерферометром Virgo в Италии. Это событие получило название GW170817. Спустя несколько секунд гамма-телескоп Fermi-LAT зафиксировал всплеск гамма-излучения в той же области неба. В течение следующих нескольких дней другие телескопы наблюдали и регистрировали это событие в видимом свете и других длинах волн. Это первое в истории многоканальное наблюдение за слиянием двух нейтронных звёзд — то есть наблюдение, фиксировавшее волны и частицы разной природы.

Что такое аксион?

Одна из ведущих теорий о природе тёмной материи гласит, что она состоит в основном из гипотетических частиц, называемых аксионами. Если во время Большого взрыва было создано достаточно аксионов, и если их массы попадают в определённый диапазон, то они могли бы объяснить большую часть тёмной материи, формирующей сегодняшнюю Вселенную. К сожалению, аксионы никогда не наблюдались, и никто ещё не подтвердил, существуют ли они вообще. Но, по мнению доктора Бхупала Дэва из Университета штата Вашингтон, аксионы и аксионоподобные частицы (ALPs) могут быть созданы в экстремальных условиях столкновения нейтронных звёзд, и мы сможем увидеть признаки их наличия с Земли.

Физики десятилетиями пытаются разгадать тайну тёмной материи. Кажется вероятным, что она может состоять в основном из аксионов и аксионоподобных частиц, но эти частицы пока только гипотетические. Впервые аксион был предложен в 1977 году в качестве решения проблемы сильного CP, но до сих пор его существование не подтверждено.

Теория предсказывает, однако, что аксионы могут на короткое время появляться из-за прохождения через мощное магнитное поле высокоэнергетических фотонов. Такие аксионы существуют недолго, а затем распадаются обратно на пару гамма-фотонов. В настоящее время в мире проводится ряд экспериментов, в ходе которых с помощью этого явления пытаются создать аксионы и наблюдают за гамма-излучением их распада. Другие, например Axion Dark Matter eXperiment (ADMX), ищут существующие в природе аксионы, используя аналогичный процесс для преобразования их в микроволновые фотоны.

Но во Вселенной есть много мест, где аксионы могут появляться подобным образом, включая ядра звёзд, окрестности магнетаров и другие места с сильными магнитными полями. Одно из возможных мест — это место столкновения нейтронных звёзд. При столкновении таких плотных объектов выделяется огромное количество энергии, в том числе в виде жёсткого электромагнитного излучения и мощных магнитных полей: идеальные условия для создания аксионов!

Моделируя эти энергетические процессы, исследователи могут предсказать массу аксионов, способных там появиться. Отсюда они могут вывести конкретную частоту фотонов гамма-излучения, которые будут получены при их распаде. Если нам удастся обнаружить ещё одно подобное слияние и выявить специфический спектр гамма-излучения, возникающего при столкновении, это подтвердит, что аксионы существуют, и предоставит доказательства в поддержку одной из основных теорий о тёмной материи.

Природные ускорители частиц

Подобный эксперимент — не первая попытка учёных использовать природные явления вместо ускорителя частиц. Наша собственная верхняя атмосфера — одно из таких мест, где постоянно происходят столкновения частиц высокой энергии. В отличие от гамма-излучения, космические лучи — это субатомные частицы, несущиеся сквозь пространство с релятивистскими скоростями и возникающие в результате таких катастрофических событий, как взрывы сверхновых. Когда они сталкиваются с нашей атмосферой, то разбиваются о молекулы воздуха с большей силой, чем мы можем создать в наших крупнейших ускорителях частиц. Телескопы, подобные Стереоскопической системе высоких энергий (HESS) в Намибии, созданы для обнаружения этих столкновений высоко в небе. HESS — это пара телескопов, которые направлены на верхние слои атмосферы и ищут характерные всплески черенковского излучения, которые показывают каскады частиц, возникающие при столкновении космических лучей с атмосферой.

Наблюдения GW170817 уже были использованы доктором Дэвом: тщательный анализ гамма-излучения, наблюдаемого Fermi-LAT, помог сузить ограничения на свойства аксионов и аксионоподобных частиц.

Подобные наблюдения в сочетании с работой земных экспериментов, таких как ADMX, имеют решающее значение для выяснения того, существуют ли аксионы. И хотя они ещё не нашли их, мы всё равно узнаем что-то новое каждый раз, когда эксперимент ничего не обнаруживает. Каждый тест настраивается на определённую массу, поэтому все эти отрицательные результаты сужают круг возможностей. Остаётся надеяться, что окончательный ответ будет получен уже скоро.