0 товаров — 0 руб.
В корзине нет ни одного товара

Плохие новости: детектор, который отыщет темную материю, слишком велик для Земли

Напомним, одна из главных проблем изучения темной материи заключается в том, что она недоступна для прямого наблюдения. Во время лабораторных экспериментов ее почти не удается обнаружить, так как взаимодействие частиц антиматерии с обычной материей происходит крайне редко.

Обычно ученые пытаются обнаружить слабые сигналы ядерной отдачи, которые вызваны столкновениями медленно движущихся частиц темной материи. Для этого нужно, чтобы частицы имели такую же массу, как атомные ядра обычной материи. Но они чаще всего оказываются легче или тяжелее, что затрудняет их обнаружение.

Художественное изображение Земли, окруженной нитями темной материи, так называемым «волосами», концепция которых была предложена в Лаборатории реактивного движения NASA. Изображение: NASA/JPL-Caltech

Для решения этой проблемы необходим детектор огромного размера, который попросту не получится построить на Земле. Но в недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, было выдвинуто предположение, что в роли гигантского детектора темной материи можно задействовать нейтронную звезду.

Нейтронные звезды, образовавшиеся в результате вспышки сверхновой, обладают огромной плотностью: их масса сопоставима с массой Солнца при радиусе всего в 10-20 км. Материя в них сжата настолько, что протоны и электроны объединяются в нейтроны в процессе электронного захвата. Благодаря такой плотности, нейтронная звезда обладает условиями для изучения темной материи, которые невозможно создать на Земле.

Чрезвычайно плотная нейтронная звезда 1E 1613, обладающая свойствами магнетара. Благодаря высокой плотности нейтронные звезды, вероятно, способны задерживать частицы темной материи. Изображение: NASA/CXC/University of Amsterdam/N.Rea et al./DSS

Например, темная материя может свободно преодолеть слой свинца толщиной в световой год (примерно 9,5 триллиона километров), не взаимодействуя с ним. А вот сверхплотное вещество нейтронных звезд способно задержать частицы темной материи, которые проходят через него. При этом частицы темной материи столкнутся с нейтронами, потеряют скорость и окажутся в ловушке.

К тому же сильное гравитационное поле нейтронной звезды может ускорить темную материю до квазирелятивистских скоростей, а значит, при столкновениях будет выделяться гораздо больше энергии. И, наконец, для захвата не имеет значения масса частиц темной материи.

Также предполагается, что темная материя способна скопиться в ядре звезды, причем ее захват может быть симметричным с последующей аннигиляцией либо несимметричным, то есть без аннигиляции. В первом случае это приведет к заметному нагреву нейтронных звезд, который можно будет наблюдать с помощью телескопов в инфракрасном диапазоне. Если же захват окажется несимметричным, может произойти коллапс нейтронной звезды в черную дыру.


Анимированное изображение вращающейся нейтронной звезды. Скорость вращения некоторых нейтронных звезд – более 700 оборотов в секунду. При этом гравитационное поле звезды способно разогнать темную материю до высоких скоростей. Видео: Центр космических полетов имени Годдарда (NASA)

Пока что практическое использование нейтронных звезд для обнаружения темной материи невозможно из-за проблем в расчетах: для них необходимо учитывать все уникальные физические эффекты, возникающие вокруг каждой звезды.

В новом исследовании при расчетах учитывается сильное взаимодействие между частицами в нейтронной звезде, а потому за основу берутся нуклоны и их структура, а также взаимодействия между ними. Такие изменения помогут выяснить вероятность столкновения темной материи с веществом нейтронных звезд, а в перспективе – определить силу взаимодействия темной материи и обычной материи.

Даже если теория накопления темной материи в нейтронных звездах не подтвердится, она может дать ценные сведения о том, как стоит проводить эксперименты на Земле.

123
03.12.2021 г.
TOP