Ученые, возможно, стали на шаг ближе к разгадке одной из величайших загадок Вселенной после того, как выяснили, что нейтронные звезды могут содержать ключ к пониманию неуловимой темной материи.

В статье, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, физики из Центра передового опыта в области физики частиц темной материи ARC, возглавляемого Мельбурнским университетом, подсчитали, что энергия, передаваемая при столкновении частиц темной материи и аннигиляции внутри холодных мертвых нейтронных звезд, может нагревать звезды очень быстро.

Ранее считалось, что подобный механизм передачи энергии может занять очень много времени, в некоторых случаях больше, чем возраст самой Вселенной, что делает этот нагрев несущественным.

Профессор Николь Белл из Мельбурнского университета сообщила, что новые расчеты впервые показывают, что большая часть энергии будет выделена всего за несколько дней.

«Поиски темной материи — одна из величайших детективных историй в науке. Темная материя составляет 85 процентов материи в нашей Вселенной, но мы не можем ее увидеть. Темная материя не взаимодействует со светом – она не поглощает свет, не отражает свет, не излучает свет.

"Это означает, что наши телескопы не могут наблюдать его напрямую, даже если мы знаем, что она существует. Вместо этого, ее гравитационное притяжение к объектам, которые мы можем видеть, говорит нам о том, что она должен быть там.

«Одно дело — теоретически предсказывать темную материю, и совсем другое — наблюдать ее экспериментально. Эксперименты на Земле ограничены техническими проблемами, связанными с созданием достаточно больших детекторов. Тем не менее, нейтронные звезды действуют как огромные естественные детекторы темной материи, которые собирают темную материю в течение астрономически долгих временных масштабов, поэтому они являются хорошим местом для того, чтобы сконцентрировать наши усилия», — сообщила профессор Белл.

Нейтронные звезды образуются, когда у сверхмассивной звезды заканчивается топливо и она коллапсирует. Они имеют массу, подобную массе нашего Солнца, сжатого в шар шириной всего 20 км. Если бы они были плотнее, они превратились бы в черные дыры.

«В то время как темная материя является доминирующим типом материи во Вселенной, ее очень трудно обнаружить, потому что ее взаимодействие с обычной материей очень слабое. Настолько слабое, что темная материя может проходить прямо сквозь Землю или даже через Солнце.

Но нейтронные звезды отличаются от обычного состояния материи — они настолько плотные, что частицы темной материи с гораздо большей вероятностью взаимодействуют со звездой. Если частицы темной материи столкнутся с нейтронами в звезде, они потеряют энергию и попадут в ловушку. Со временем это приведет к накоплению темной материи в звезде», — сообщила профессор Белл.

Сотрудник Мельбурнского университета Майкл Виргато рассказал, что это, как ожидается, нагреет старые, холодные нейтронные звезды до уровня, который может быть доступен для будущих наблюдений, или даже вызовет коллапс звезды в черную дыру.

"Если передача энергии произойдет достаточно быстро, нейтронная звезда нагреется. Для того, чтобы это произошло, темная материя должна претерпеть множество столкновений в звезде, передавая все больше и больше энергии темной материи, пока, в конце концов, вся энергия не будет передана звезде", - сообщил Виргато.

Ранее было неизвестно, сколько времени займет этот процесс, потому что по мере того, как энергия частиц темной материи становится все меньше и меньше, вероятность того, что они снова будут взаимодействовать, становится все меньше и меньше. В результате, считалось, что передача всей энергии занимает очень много времени — иногда больше, чем возраст Вселенной. Но исследователи подсчитали, что 99% энергии передастся звезде всего за несколько дней.

"Это хорошая новость, потому что это означает, что темная материя может нагревать нейтронные звезды до уровня, который потенциально может быть обнаружен. В результате, наблюдение холодной нейтронной звезды даст жизненно важную информацию о взаимодействиях между темной и обычной материей, проливая свет на природу этого неуловимого вещества.

«Если мы хотим понять темную материю, которая присутствует повсюду, очень важно, чтобы мы использовали все имеющиеся в нашем распоряжении методы, чтобы выяснить, что на самом деле представляет собой скрытая материя нашей Вселенной», — рассказал Виргато.

Это исследование было проведено группой международных экспертов из Центра передового опыта в области физики частиц темной материи, в том числе профессорами Николь Белл и Майклом Виргато из Мельбурнского университета, доктором Джорджио Бузони из Австралийского национального университета и доктором Сандрой Роблес из Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми, США.

Ссылка: Николь Ф. Белл и др., Термализация и аннигиляция темной материи в нейтронных звездах, Журнал космологии и астрофизики частиц (2024). DOI: 10.1088/1475-7516/2024/04/006