Уточненная модель снизила эффективность нейтронных звезд как детекторов темной материи

Физики-теоретики из Австралии и Германии пришли к выводу, что интенсивность захвата гипотетических частиц темной материи нейтронными звездами может быть на порядки ниже, чем считалось ранее. Ученые использовали более точную теорию, в которой учитывается сложная внутренняя структура нейтрона при его взаимодействии с частицами темной материи, а также не пренебрегается взаимодействием нейтронов друг с другом. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Многочисленные астрономические наблюдения за движением звезд в галактиках указывают на существование темной материи, однако все попытки зарегистрировать элементарные частицы, из которых эта материя состоит, в земных экспериментах до сих пор не увенчались успехом. Это означает, что взаимодействие темной материи с частицами Стандартной модели настолько слабое, что в детекторах темной материи не происходит ни одного акта взаимодействия. Это привело ученых к идее, что стоит изучать результаты взаимодействия темной материи с небесными телами, которые состоят из настолько большого числа частиц и существуют так долго, что должно было произойти много актов их взаимодействия с частицами темной материи. Сначала было предложено изучать последствия возможного взаимодействия темной материи с Солнцем, но потом была выдвинута идея, что еще лучшими детекторами могут быть нейтронным звезды из-за их огромной плотности.

Гипотетические наблюдаемые последствия захвата частиц темной материи нейтронными звездами зависят от деталей взаимодействия этих частиц с нейтронами. Если они накапливаются внутри звезды, передав свой импульс нейтронам, то со временем это должно привести к настолько существенному увеличению массы нейтронной звезды, что она коллапсирует в черную дыру. Если же частицы аннигилируют, передав всю свою энергию веществу нейтронной звезды, то она нагревается. Ученые считают, что с помощью инфракрасных телескопов следующего поколения этот нагрев может быть заметен.

При расчете взаимодействия частиц темной материи с нейтронной звездой обычно используются те же приближения, что и при их взаимодействии со звездами и планетами. Эти приближения заключаются в игнорировании внутренней структуры нейтронов при их взаимодействии с частицами темной материи и пренебрежении взаимодействием нейтронов друг с другом.

Группа физиков-теоретиков в составе Николь Ф. Белл (Nicole F. Bell), Сандры Роублз (Sandra Robles) и Майкла Виргато (Michael Virgato) из Университета Мельбурна, Джорджио Бузони (Giorgio Busoni) из Института ядерной физики Общества Макса Планка, Тео Ф. Мотты (Theo F. Motta), и Энтони В. Томаса (Anthony W. Thomas) из Университета Аделаиды провела детальный расчет взаимодействия частиц темной материи с нейтронной звездой, в котором не делались такие упрощения и оказалось, что более точный результат очень сильно отличается от приближенного.

Включение взаимодействия нейтронов друг с другом свелось к замене массы нейтрона на эффективную массу, которая зависит от плотности нейтронной звезды, меняющейся в зависимости от глубины (см. рисунок). Влияние этого эффекта на интенсивность взаимодействия темной материи со звездой оказалось наиболее сильным, если масса частиц темной материи существенно превышает массу нейтрона. В этом случае интенсивность взаимодействия падает приблизительно на порядок.

Нейтронная звезда, в отличие от других космических объектов, которые предлагается использовать в качестве детекторов темной материи, создает очень сильное гравитационное поле, ускоряющее падающие на звезду частицы темной материи до скоростей, сравнимых со скоростью света. Расчет теоретиков показал, что если масса частиц темной материи достаточно велика (больше массы нейтрона), то при столкновении с нейтронами звезды ее импульс так велик, что она может почувствовать внутреннюю структуру нейтрона, и это снизило интенсивность их взаимодействия на целых два порядка. Если же масса частиц темной материи мала (меньше 20 процентов от массы протона), то неточечность нейтрона почти не влияла на интенсивность взаимодействия.

Учет обоих эффектов привел к снижению интенсивности взаимодействия тяжелых частиц темной материи с нейтронами (а значит и числа актов взаимодействия этих частиц со звездой) приблизительно на три порядка. Для легких же частиц результаты вычислений очень хорошо совпали с приближенными.

Ранее мы писали о том, как астрофизики предложили использовать экзопланеты и Юпитер в качестве детекторов темной материи.

Андрей Фельдман