Нейтронные звёзды пролили свет на тёмную материю

Физик Крис Коуварис из Университета Южной Дании использовал данные по наблюдаемым нейтронным звёздам, чтобы проверить уровень взаимодействия с ними частиц тёмной материи, равно как и взаимодействие последних между собой.

Выяснилось, что либо тёмной материи в окрестностях наблюдаемых нейтронных звёзд никогда не было, либо взаимодействие тёмной материи носит необычайно слабый характер.

Сегодня все наши знания о тёмной материи сводятся в основном к тому, что она есть и мы её не видим. За пределами этого — лишь гипотезы о природе явления. Им нет числа, но подтвердить или опровергнуть их пока не удаётся. Физик Крис Коуварис, возможно, нашёл выход из этой ситуации.

Считается, что тёмная материя может существовать в форме вимпов — гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц, из четырёх фундаментальных взаимодействий участвующих только в двух — слабом и гравитационном. Однако мы предельно мало (и это мягкий эквивалент слова «ничего») знаем наверняка о взаимодействии вимпов и тёмной материи между собой. Чтобы ликвидировать этот пробел, датский исследователь обратился к нейтронным звёздам.

По мере своего движения по галактике нейтронная звезда перемещается через тонкое относительно однородное гало из тёмной материи. Нейтронная звезда, с её исключительной плотностью, должна взаимодействовать с тёмной материей и концентрировать её часть на орбите вокруг себя. При этом часть тёмной материи неизбежно должна оказываться внутри нейтронной звезды — ведь взаимодействие вимпов и обычных частиц очень невелико, и обычная материя не может остановить такое накопление внутри нейтронной звезды. Если этот механизм накопления действует эффективно, нейтронная звезда должна со временем превысить предел Оппенгеймера — Волкова и сколлапсировать в чёрную дыру.

Сильное гравитационное поле нейтронных звёзд удерживает вокруг них газопылевые диски и даже планеты, но не может притянуть достаточно тёмной материи, хотя её должно быть вшестеро больше обычной. Почему? (Илл. NASA's Rossi X-ray Timing Explorer.)

Или нет? Ответ на этот вопрос очень важен: не ясно, может ли тёмная материя влиять только на очень массивные объекты типа галактик или способна воздействовать и на такие массивные и компактные небесные тела, как нейтронные звезды. Чтобы разобраться в этом, датчанин исследовал старые нейтронные звезды, находящиеся относительно близко к Солнцу, в частности J0437-4715 и J0108-1431 (140 и 130 пк от Земли соответственно). Звёздам этим более миллиарда лет, однако они всё ещё существуют, хотя, по предпринятому исследователем моделированию, за миллиард лет плотность вимповской тёмной материи должна была породить ЧД и, естественно, спровоцировать коллапс нейтронной звезды. Этому не могла помешать даже периодическая взаимная аннигиляция ряда вимпов: вероятность такой аннигиляции крайне невысока и не может существенно замедлить процесс накопления тёмной материи в гравитационной потенциальной яме.

По полученным г-ном Коуварисом ограничениям на скорость аккреции тёмной материи вокруг нейтронных звёзд площадь эффективного поперечного сечения для вимпов получилась порядка 10^–45 см², хотя не исключена вероятность 10^–48 см². Напомним, что для ядра атома эффективное поперечное сечение равно 10⁻²⁴ см². Прежние попытки детектирования вимпов сходились на том, что сечение упругого рассеяния на ядрах для них составляет (2–15)•10^–42 см².

Вызывает вопрос то, что схлопывания нейтронных звёзд в ЧД из-за концентрации тёмной материи не происходит. Возможная причина заключается в недостатке тёмной материи вблизи галактического диска. По мнению учёного, лишь длительное наблюдение за нейтронными звёздами в карликовых галактиках-спутниках, окружающих Млечный Путь, может дать ответ на этот вопрос. В галактиках-спутниках тёмная материя должна доминировать, представляя там значительно бóльшую долю вещества, чем в самом Млечном Пути.

Другим вариантом ответа на вопрос о причинах живучести старых нейтронных звёзд является гипотеза об очень слабом взаимодействии вимпов между собой, что препятствует образованию слишком плотных сгустков тёмной материи и последующему коллапсу нейтронных звёзд в ЧД. Если это так, гипотезы о существовании тёмных галактик окажутся несостоятельными: тёмная материя просто не сможет концентрироваться в столь плотные образования.

Подготовлено по материалам Ars Technica.