Фотонам от рожденных в магнитном поле гиперновой аксионоподобных частиц предрекли опоздание

Физики-теоретики показали, что сильные магнитные поля в гиперновых и сверхмощных сверхновых вносят значительный вклад в образование аксионоподобных частиц в ходе когерентной конверсии плазмонов. Добавив магнитное поле в модель взрыва сверхновой, ученые выяснили, что скорость рождения аксионоподобных частиц массой от 4 до 14 мегаэлектронвольт более чем на порядок превышает предсказанную ранее. Более того, образовавшиеся в результате распада таких частиц фотоны будут прилетать в детекторы со значительной задержкой, что позволит сделать выводы о магнитных свойствах сверхновой и уточнить массу аксиона, пишут ученые в Physical Review Letters.

Изначально аксионы — слабовзаимодействующие с материей псевдоскалярные бозоны — были введены для устранения проблемы сохранения СР-инвариантности в квантовой хромодинамике, но последние годы стали особенно популярны у астрофизиков как кандидаты в темную материю. Помимо аксионов ученые изучают и аксионоподобные частицы, которые отличаются от аксионов тем, что не могут взаимодействовать с глюонами. Несмотря на долгие поиски, ни аксионы, ни аксионоподобные частицы, до сих пор не были найдены, а предполагаемые значения массы последних варьируются от 10⁻¹⁰ электронвольт до сотен мегаэлектронвольт.

Сверхновые, образованные в результате коллапса ядра звезды считаются мощными источниками аксионоподобных частиц. Предполагается, что в этом случае частицы рождаются в результате эффекта Примакова из двух фотонов в электростатическом поле протонов. Их дальнейшая судьба зависит от массы: в случае, если масса невелика, частицы, скорее всего, покинут сверхновую и распадутся на фотоны гамма-диапазона под действием галактических магнитных полей, а в случае больших масс распадутся на фотоны внутри ядра без участия магнитного поля. Затем дочерние фотоны уже можно поймать наземными и космическими детекторами и по этим данным оценить свойства аксионов. К примеру, анализ излучения от сверхновой SN1987A помог установить ограничения на массу аксионоподобных частиц и константу взаимодействия аксиона с фотонами.

Однако в высокоэнергетических сверхновых, таких как гиперновые и сверхмощные сверхновые, условия для возникновения аксионоподобных частиц могут оказаться совершенно иными. Дело в том, что сверхновые этих типов считают источниками галактических позитронов и тяжелых элементов, рожденных в ходе r-процесса, а для этого требуется подпитка взрыва, как вариант, сильным магнитным полем. Хотя последнее и не имеет экспериментальных доказательств, теоретическое исследование показало, что величина магнитного поля в сверхновых может достигать триллиона килогауссов. Под действием таких полей аксионоподобные частицы могут рождаться при когерентной конверсии плазмонов — возмущений электромагнитного поля в плазме, где под когерентным подразумевается случай совпадения дисперсионных соотношений плазмонов и аксионоподобных частиц. В прошлом году ученые даже доказали, что на Солнце образование аксионов под действием магнитного поля может доминировать над эффектом Примакова. Для гиперновых и сверхмощных сверхновых, однако до недавнего времени подобного исследования не проводили.

Физики из пяти стран под руководством Алессандро Мирицци (Alessandro Mirizzi) из Национального института ядерной физики Италии решили исправить это и смоделировали магниторотационный взрыв звезды массой 20 солнц, добавив в модель сверхновой вращение и дипольное магнитное поле в триллион гауссов, которое в момент взрыва вырастет на 3 порядка.

На 370 милисекунде после взрыва, когда ударная волна распространилась на 4000 километров от центра звезды, ученые измерили зависимости магнитного поля, температуры, плазменной частоты (играет роль эффективной массы фотона) и масштаба экранирования, равного обратной длине Дебая (отвечает за корреляции между заряженными частицами в плазме), от расстояния до центра сверхновой. Используя эти зависимости, авторы посчитали скорости образования аксионоподобных частиц в результате процесса Примакова и под действием магнитного поля, а затем, интегрируя эти величины по всему фотонному спектру и объему сверхновой, получили соответствующие значения аксионной светимости сверхновой.

Оказалось, что в случае, если масса аксионоподобных частиц заключается между 4 и 14 мегаэлектронвольтами, светимость когерентно рожденных частиц превышает светимость рожденных в процессе Примакова, а при массе в 10 мегаэлектронвольт достигает своего пика в g_aγ²×10⁷¹ обратных эргов, где g_aγ — константа взаимодействия аксиона с фотонами (принимается равной 10^-11 обратных гигаэлектронвольт). При больших и меньших массах аксионоподобные частицы под действием магнитного поля возникают лишь в незначительных количествах.

Распад аксионоподобных частиц на пары фотонов создает большой поток гамма-излучения, который можно наблюдать с помощью уже существующих детекторов. Такой поток должен отличаться задержкой во времени относительно первых свидетелей коллапса ядра звезды — нейтрино, поскольку сумма расстояний, пройденных сначала аксионоподобной частицей, а затем дочерними фотонами будет больше расстояния от сверхновой до Земли.

Для количественной оценки физики приняли массу аксионоподобных частиц равной 5 мегаэлектронвольт и посчитали зависимость среднего числа дочерних фотонов, которые попадали бы на детектор космического гамма-телескопа Ферми за единицу времени, от времени задержки. Как и ожидалось, из-за того, что аксионоподобные частицы, образованные под воздействием магнитного поля обладают меньшей энергией, чем образованные в результате эффекта Примакова, они должны прилететь к детектору с большей задержкой, чем последние. В связи с этим, первые несколько дней поток фотонов будет слабо зависеть от магнитного поля сверхновой, и по нему можно будет уточнить константу связи аксиона с фотоном. Затем, приблизительно на пятый день, когда поток «примаковских» фотонов пойдет на спад, а поток «магнитных» фотонов возрастет, можно будет делать выводы как об интенсивности магнитного поля сверхновой, так и о массе аксионоподобных частиц. По данным моделирования, дочерние фотоны можно наблюдать в течение двух недель после взрыва звезды.

Авторы подчеркивают, что хотя их исследование относится к очень редкому классу событий (гиперновые и сверхмощные сверхновые в среднестатистической галактике взрываются примерно раз в 100 миллионов лет), его наблюдение может не только пролить свет на магнитные свойства гиперновых, но и доказать существование аксионоподобных частиц и уточнить их массу.

Ранее мы рассказывали о том, как ученые обнаружили самую далекую гиперновую, которая породила быстровращающийся магнитар, а также как была установлена четкая связь между длинным гамма-всплеском и взрывом сверхновой.

Елизавета Чистякова