Нагадаємо, одна з головних проблем вивчення темної матерії полягає в тому, що вона недоступна для прямого спостереження. Під час лабораторних експериментів її майже не вдається виявити, так як взаємодія частинок антиматерії зі звичайною матерією відбувається вкрай рідко.
Зазвичай вчені намагаються виявити слабкі сигнали ядерної віддачі, які викликані зіткненнями повільно рухомих частинок темної матерії. Для цього потрібно, щоб частинки мали таку ж масу, як атомні ядра звичайної матерії. Але вони найчастіше виявляються легше або важче, що ускладнює їх виявлення.
художнє зображення землі, оточеної нитками темної матерії, так званим “волоссям”, концепція яких була запропонована в лабораторії реактивного руху nasa. Зображення: nasa / jpl-caltech
Для вирішення цієї проблеми необхідний детектор величезного розміру, який просто не вийде побудувати на землі. Але в недавньому дослідженні, опублікованому в physical review letters, було висунуто припущення, що в ролі гігантського детектора темної матерії можна задіяти нейтронну зірку.
Нейтронні зірки, що утворилися в результаті спалаху наднової, мають величезну щільністю: їх маса порівнянна з масою сонця при радіусі всього в 10-20 км.матерія в них стиснута настільки, що протони і електрони об’єднуються в нейтрони в процесі електронного захоплення. Завдяки такій щільності, нейтронна зірка володіє умовами для вивчення темної матерії, які неможливо створити на землі.
Надзвичайно щільна нейтронна зірка 1e 1613, що володіє властивостями магнетару. Завдяки високій щільності нейтронні зірки, ймовірно, здатні затримувати частинки темної матерії. Зображення: nasa / cxc / university of amsterdam / n. Rea et al./ dss
Наприклад, темна матерія може вільно подолати шар свинцю товщиною в світловий рік (приблизно 9,5 трильйона кілометрів), не взаємодіючи з ним. А ось надщільна речовина нейтронних зірок здатне затримати частинки темної матерії, які проходять через нього. При цьому частинки темної матерії зіткнуться з нейтронами, втратять швидкість і опиняться в пастці.
До того ж сильне гравітаційне поле нейтронної зірки може прискорити темну матерію до квазірелятівістскіх швидкостей, а значить, при зіткненнях буде виділятися набагато більше енергії. І, нарешті, для захоплення не має значення маса частинок темної матерії.
Також передбачається, що темна матерія здатна зібратися в ядрі зірки, причому її захоплення може бути симетричним з подальшою анігіляцією або несиметричним, тобто без анігіляції. У першому випадку це призведе до помітного нагрівання нейтронних зірок, який можна буде спостерігати за допомогою телескопів в інфрачервоному діапазоні. Якщо ж захоплення виявиться несиметричним, може статися колапс нейтронної зірки в чорну діру.
анімоване зображення обертається нейтронної зірки. Швидкість обертання деяких нейтронних зірок-більше 700 оборотів в секунду. При цьому гравітаційне поле зірки здатне розігнати темну матерію до високих швидкостей. Відео: центр космічних польотів імені годдарда (nasa)
Поки що практичне використання нейтронних зірок для виявлення темної матерії неможливо через проблеми в розрахунках: для них необхідно враховувати всі унікальні фізичні ефекти, що виникають навколо кожної зірки.
У новому дослідженні при розрахунках враховується сильна взаємодія між частинками в нейтронній зірці, а тому за основу беруться нуклони і їх структура, а також взаємодії між ними. Такі зміни допоможуть з’ясувати ймовірність зіткнення темної матерії з речовиною нейтронних зірок, а в перспективі – визначити силу взаємодії темної матерії і звичайної матерії.
Навіть якщо теорія накопичення темної матерії в нейтронних зірках не підтвердиться, вона може дати цінні відомості про те, як варто проводити експерименти на землі.
