обнаружение аксионов нейтронными звёздами

Оркестр играет, хотя дирижёра никто не видит. Музыканты — заряженные частицы в магнитосфере пульсара, а партитура — электрические и магнитные поля, рождённые вращением сверхплотной звезды. Но в этой партитуре есть правки, внесённые невидимой рукой: аксионной гривой, облаком гипотетических частиц, которое окутывает нейтронную звезду.

Пучок антипротонов врезается в пластину, и каждый удар рассыпается снопом заряженных частиц. В эксперименте GBAR в ЦЕРН такую картину наблюдают не сложным детектором, а обычной промышленной камерой без объектива, прижатой к вакуумному окну снаружи.

В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые могут порождать гипотетические лёгкие частицы — аксионы, почти не взаимодействующие с веществом. Один из таких процессов, если он существует, приводит к появлению аксионов с энергией 5,49 МэВ — это сравнимо с энергией теннисного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч.

Лишний электрон в молекуле похож на пассажира, который едва держится на подножке уходящего поезда. Такой «пассажир» превращает частицу в анион — отрицательно заряженный ион. Изучать его трудно: связь слабая, электронное облако размыто, и любой толчок может сорвать электрон прочь.

Ранняя Вселенная напоминает кипящий котёл, где частицы и античастицы рождаются и аннигилируют в равных долях. Но сегодня вокруг нас только материя — звёзды, планеты, мы сами. Как крошечный перевес в одну миллиардную долю возник из первоначального равенства? Один из ответов прячется в колебаниях тяжёлого поля, похожего на скалу, которую прилив то заливает, то обнажает.

В далёкой галактике Сигара действует необычный маяк. Его излучение рождается не в привычном оптическом диапазоне, а в рентгеновском — внутри раскалённой короны вокруг чёрной дыры, поглощающей вещество звезды-компаньона.

В 123 парсеках от Земли, в созвездии Южной Короны, плывёт нейтронная звезда RX J1856.5-3754. Её поперечник — около 12 километров, меньше кольцевой автодороги вокруг Москвы, но температура поверхности достигает 460 000 кельвинов. Звезда делает медленный, почти неслышный выдох.

Глубоко под землёй, в тишине криостата (охлаждаемого контейнера), лежат кристаллы из свинца, который когда-то был частью древнеримского корабля. Этот материал почти не фонит — за две тысячи лет нестабильные изотопы в нём распались, и теперь он идеально чист для охоты на редчайшие события.

Маяк в открытом море не только вращается — его лампа сама по себе то тускнеет, то разгорается. Примерно так ведут себя магнитные белые карлики, сверхплотные остатки звёзд вроде нашего Солнца. Их мощные магнитные поля способны превращать свет в аксионы — гипотетические частицы, которые могли бы объяснить скрытую массу Вселенной.

Горсть песка в кулаке: песчинки упираются друг в друга, и дальше рука не сжимается. Обычное вещество ведёт себя похоже. Но в нейтронной звезде сжатие в миллиарды раз сильнее — атомы раздавлены, электроны вжаты в протоны, и почти всё пространство заполнено нейтронами. Однако это не просто плотная упаковка шариков.

Нейтронная звезда — это бывшее ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Но внутри этого сверхплотного шара может скрываться сюрприз: под немыслимым давлением нейтроны распадаются на кварки, и звезда получает новое, более компактное ядро.

SETI десятилетиями охотился за сферами Дайсона — гипотетическими оболочками, улавливающими свет звезды и переизлучающими его в инфракрасном. Но космос молчит. Возможно, иной разум действует изящнее: не собирает свет, а обуздывает вращение светила, как гигантский маховик. В осевом кручении заключена энергия 2.3×10³⁵ Дж — достаточно, чтобы питать цивилизацию миллиарды лет.

Нейтронные звёзды — остатки сверхновых — одни из самых плотных объектов во Вселенной. Их центральная плотность в разы превышает ядерную, а гравитация уступает лишь чёрным дырам.

История началась с недоумения: в 1930-х Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик ведут себя так, будто в них спрятана огромная невидимая масса. Через полвека Вера Рубин подтвердила — звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро, чтобы их удерживала лишь видимая материя.

Нейтронные звезды — космические объекты невообразимой плотности: представьте, что столовая ложка их вещества весит больше, чем гора Эверест. Долгое время оставалось загадкой, что скрывается в их недрах: обычное нейтронное вещество, подобное гигантскому атомному ядру, или экзотическая кварковая материя, где частицы уже не связаны в нейтроны.

Вслушиваться в космос — значит запастись терпением и отстроить слух. Астрономы выбрали для этого самый чуткий низкочастотный инструмент: антенную решётку OVRO–LWA — 352 дипольные антенны, раскиданные по калифорнийской пустыне на два с половиной километра.

Вселенная не просто расширяется — она звучит. После Большого взрыва в её ткани остались натянутые струны — тонкие, как протон, но тяжёлые, словно горный хребет. Их колебания рождают гравитационные волны, и в этом излучении, как в нотной записи, зашифрована история фундаментальных симметрий.

В недрах массивной нейтронной звезды, где чайная ложка вещества весит, как гора, кварки стиснуты до немыслимой близости.

Ядра атомов далеко не всегда напоминают бильярдные шары — эту аналогию мы используем лишь для простоты. В реальности одни ядра вытянуты подобно сигарам, другие сплюснуты, как диски. А у ксенона-129 форма оказалась похожей на картофелину — это бугристый трёхосный эллипсоид, то есть фигура, у которой все три оси имеют разную длину.

Крошечные невидимые пули прошивают Солнце насквозь, почти не замечая его вещества. Это аксионы — гипотетические частицы, настолько лёгкие и неуловимые, что их сравнивают с призраками.

В огромном зале расставлена сотня камертонов. Каждый из них — это пульсар, сверхплотный остаток звезды, который вращается с бешеной скоростью и посылает радиоимпульсы точнее любых часов. Когда через зал проходит низкая звуковая волна, все камертоны начинают чуть-чуть расстраиваться одновременно.

Два ядра олова сталкиваются на скорости около двух третей скорости света. На мгновение возникает горячее плотное облако, из которого во все стороны разлетаются протоны. Если поймать пары протонов и измерить, насколько часто они вылетают в одном направлении, можно вычислить размер этого облака.

В 1987 году астрономы увидели вспышку сверхновой в соседней галактике — Большом Магеллановом Облаке. Это был редкий подарок: взрыв произошёл достаточно близко, чтобы поймать не только свет, но и нейтрино (почти неуловимые частицы, проходящие сквозь Землю насквозь).

В идеальный сейф спрятали крошечную монетку, но его стенки так тонки, что монетка иногда проходит сквозь них, оставляя едва уловимый звук. Аксионы — это и есть такие монетки, только вместо металла — частицы, а вместо сейфа — обычное вещество. Они почти не замечают преград, и поймать их напрямую чрезвычайно трудно.

В шумном городе пытаются услышать сверчка. Он тихий, а вокруг гудят машины. Чтобы поймать его стрекот, ставят чуткий микрофон и давят на кнопку шумоподавления. Примерно так же физики охотятся за аксионами — гипотетическими частицами, которые могут быть той самой тёмной материей, что скрепляет галактики.

После гибели массивной звезды происходит взрыв сверхновой — настолько мощный, что одна вспышка светит ярче целой галактики. В этом огне рождаются миллиарды аксионов — гипотетических частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом и потому остаются невидимыми.

Нейтронная звезда — это сжатое ядро погибшего светила, объект размером с город, но с чудовищной плотностью. Некоторые из таких звёзд становятся пульсарами — космическими маяками, испускающими строго периодические импульсы излучения. Их магнитное поле в миллиарды раз сильнее земного; у магнитных полюсов оно вырывается наружу бурным фонтаном плазмы.

В столкновениях тяжёлых ядер рождается огненный шар из тысяч частиц. Среди них — пионы и каоны, два вида лёгких частиц, которые очень похожи друг на друга. Чтобы понять, что происходит в этом огненном шаре, физикам нужно точно знать, сколько каких частиц вылетело.

В тёмной комнате детектора аргон ждёт. Когда сквозь него пролетает невидимая частица — например, кандидат в тёмную материю, — она слегка толкает ядро аргона. Ядро срывается с места, а вокруг него рождаются заряды. Сколько именно зарядов — вопрос не праздный: по их числу физики судят, что за гость приходил.

В двойной системе Cyg X-2 нейтронная звезда перетягивает вещество с обычной звезды-компаньона. Падающий газ закручивается, разогревается до миллионов градусов и ярко светит в рентгене. Астрономы направили на этот объект два космических телескопа — IXPE и NuSTAR — и впервые детально измерили, как поляризован этот свет.

В венгерском институте ядерных исследований ATOMKI физики заметили нечто странное: в распадах возбуждённых атомных ядер иногда рождаются пары электронов и позитронов, которые разлетаются под необычным углом. Будто между ними прячется невидимая частица-посредник, которая на миг появляется и исчезает.

Нейтрино — частицы-призраки, предсказанные Стандартной моделью и почти не взаимодействующие с веществом. Поймать их — всё равно что расслышать шёпот в грохоте водопада. Для этого созданы детекторы ARA и RNO-G, вмороженные в лёд Антарктиды и Гренландии.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так плотно, что чайная ложка её вещества весила бы как гора. Что происходит с частицами в таких условиях, мы не видим напрямую — но звёзды рассказывают о себе через гравитационные волны и свет, если две такие звезды сливаются.

Космические лучи — это элементарные частицы, несущие колоссальную энергию, которые пронизывают межгалактическую пустоту. Когда две такие частицы сталкиваются лоб в лоб, плотность энергии в точке удара может оказаться достаточной, чтобы сколлапсировать в чёрную дыру размером с атомное ядро.

Спектр космических электронов — это как отпечатки пальцев на месте преступления. Частицы, прилетающие из глубин Галактики, несут в своих энергиях следы тех, кто их породил. Долгое время картина была смазанной: приборы с широкими энергетическими бинами, словно размытые фотографии, не давали рассмотреть детали.