Темная материя составляет 85 % материи в нашей Вселенной, но мы не можем ее увидеть, потому что она не взаимодействует со светом: не поглощает его, не отражает и не излучает. Это означает, что наши телескопы не могут наблюдать ее напрямую. Поэтому именно ее гравитационное притяжение к объектам, которые мы можем видеть, подсказывает нам, что она есть и даже где.
Эксперименты по ее обнаружению на Земле ограничены техническими трудностями, связанными с изготовлением достаточно больших детекторов. Однако на помощь нам могут прийти нейтронные звезды — огромные природные детекторы темной материи.
В недавнем исследовании физики из Центра передового опыта ARC по физике частиц темной материи, возглавляемого Мельбурнским университетом, подсчитали, что энергия, передаваемая при столкновении и аннигиляции частиц темной материи внутри холодных, мертвых нейтронных звезд, может очень быстро нагревать эти звезды.
Ранее считалось, что такой перенос энергии может занимать очень много времени, в некоторых случаях больше, чем возраст самой Вселенной, что делает этот нагрев несущественным. Однако новые расчеты впервые показывают, что большая часть энергии будет выделена в течение нескольких дней.
Темная материя в ловушке нейтронных звезд
Нейтронные звезды образуются, когда у сверхмассивной звезды заканчивается топливо в ядре и она коллапсирует сама на себя. Обычно они имеют массу, подобную массе нашего Солнца, и сжаты в сферу шириной всего 20 км. Если бы они были плотнее, то превратились бы в черные дыры, но они и сейчас очень, очень плотные.
Вообще, темную материю очень трудно обнаружить, потому что ее взаимодействия с обычной материей очень слабы. Настолько слабо, что темная материя может пройти прямо через Землю или даже через Солнце. Однако с нейтронными звездами все обстоит иначе: они настолько плотные, что вероятность взаимодействия частиц темной материи со звездой гораздо выше.
Если частицы темной материи сталкиваются с нейтронами звезды, они теряют энергию и оказываются в ловушке. Если передача энергии происходит достаточно быстро, а число столкновений между темной материей и газом в звезде достаточно велико, то передается все больше и больше энергии. Со временем это приведет к накоплению темной материи в звезде.
По мнению исследователей из Мельбурнского университета, этот процесс должен разогреть холодные нейтронные звезды до такого уровня, чтобы мы могли наблюдать их в наши телескопы. Или даже до такого, чтобы спровоцировать коллапс звезды в черную дыру.
Одинокая нейтронная звезда, наблюдаемая с помощью космического телескопа «Хаббл».
Временные рамки гораздо короче, чем ожидалось
И это ученые уже обнаружили. Они не знали, сколько времени займет такой процесс. Ведь по мере того как энергия частиц темной материи становится все меньше и меньше, вероятность их повторного взаимодействия становится все меньше и меньше.
Следовательно, считалось, что передача всей энергии займет очень много времени, даже больше, чем возраст Вселенной. Вместо этого исследователи подсчитали, что 99% энергии передается всего за несколько дней.
Это хорошая новость, объясняют ученые: она означает, что темная материя может нагревать нейтронные звезды до потенциально различимого уровня в удобном для нас масштабе времени. Следовательно, наблюдение за холодной нейтронной звездой позволит получить важную информацию о взаимодействии между обычной и темной материей, проливая свет на природу последней.
С исследованием, опубликованным в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, можно ознакомиться здесь.
