тёмная материя в нейтронных звёздах

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взрыва сверхновой: масса Солнца упакована в шар диаметром с город. Миллиарды лет она летит сквозь пространство, собирая вокруг себя невидимое вещество — тёмную материю, которая не излучает свет, но притягивает гравитацией.

В центре умирающей звезды, когда её ядро сжимается в нейтронный шар, рождается невидимый шторм. Триллионы нейтрино — частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом, — мечутся в раскалённой плазме. Их так много, что они начинают влиять друг на друга, меняя свои «вкусы» (ароматы: электронное, мюонное, тау-нейтрино) словно хамелеоны.

На заключительном этапе эволюции массивной звезды её ядро стремительно сжимается за доли секунды, порождая вспышку сверхновой — взрыв, отмечающий гибель светила. Этот катаклизм возмущает само пространство-время, испуская гравитационные волны — рябь, которая распространяется сквозь Вселенную, подобно кругам на воде от брошенного камня.

В центре многих галактик прячутся не только сверхмассивные чёрные дыры, но и огромные облака невидимого вещества. Если это вещество состоит из сверхлёгких частиц, оно способно собираться в плотные сгустки — своего рода «звёзды» из тёмной материи.

Нейтронная звезда — это город размером с Манхэттен, который весит как полмиллиона Земель. Чайная ложка её вещества перевесила бы Эверест. А теперь в этот сверхплотный шар подмешали что-то невидимое и неуловимое — частицы тёмной материи. Именно это сделали физики в новом исследовании.

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

В двух миллионах лет от нас, вокруг молодой звезды CI Tau, кружится газопылевой диск — протопланетная колыбель. Наблюдения на ALMA уже показали в нем кольца и зазоры, но самые тонкие детали оставались невидимы: их ширина меньше разрешающей способности инструмента. Астрофизики придумали способ заглянуть за этот предел.

Чайная ложка вещества нейтронной звезды весит как гора. Но у этой горы может быть невидимый близнец. В недрах нейтронной звезды обычное вещество спрессовано до немыслимых плотностей. Там протоны и нейтроны могут растворяться в кварковый суп.

Долгое время Уран и Нептун классифицировали как «ледяные гиганты», предполагая, что под их атмосферами залегают мощные слои замёрзшей воды, метана и аммиака. Однако новые расчёты, выполненные учёными, предлагают совершенно иную картину внутреннего строения.

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.

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взрыва сверхновой, где чайная ложка вещества весит миллиард тонн. Многие из них, как открыла ещё в 1967 году Джоселин Белл Бернелл, становятся пульсарами — космическими маяками, регулярно вспыхивающими в радиодиапазоне.

Бросьте в пруд камень — пойдут круги. Нечто похожее происходит внутри компактных сгустков тёмной материи, когда они попадают в особую среду — скалярное поле. Это поле, пронизывающее всё вокруг, способно самопроизвольно усиливаться в недрах таких объектов, словно круги на воде становятся всё выше и заметнее.

В стандартной астрофизической картине чёрные дыры удерживают титул абсолютных рекордсменов по плотности: всё их вещество коллапсирует в сингулярность — точку с бесконечной кривизной пространства-времени. Это можно представить так: если бы всю массу горы Эверест сжали до размеров крупинки соли. Однако физики-теоретики обнаружили изящный трюк.

Сразу после Большого взрыва в космосе могли плавать сгустки весом в триллион солнц и с электрическим зарядом колоссальной силы — как триллионы наэлектризованных шариков.

Переводчик на важных переговорах вдруг переходит на другой язык — и смысл сказанного полностью меняется. Примерно так ведут себя нейтрино в недрах умирающей звезды. Эти частицы-невидимки рождаются в огромных количествах, когда ядро звезды сжимается в комок размером с город. Но по пути наружу нейтрино могут менять свой тип — физики называют это превращением аромата.

Переводчик на полпути через зал вдруг начинает передавать сообщение наоборот. Примерно так может повести себя нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещества, — если на его пути встретится облако сверхлёгкой тёмной материи.

На кухне стоит ведро с водой и такое же ведро с песком. Высыпаем песок в воду — и получаем смесь, где песка ровно в пять раз больше, чем воды. Примерно так устроена наша Вселенная: обычного вещества, из которого сделаны звёзды, планеты и мы сами, — одна часть, а неуловимой тёмной материи — пять.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Сквозь такую плотную среду частицы тёмной материи пролетают почти свободно, но иногда всё же ударяются о нейтроны и застревают, словно пули, вязнущие в толще песка. Осев в центре, они отдают энергию — и звезда чуть нагревается.

Нейтрон — частица, из которой в основном состоят нейтронные звёзды. Сам по себе он нестабилен: свободный нейтрон живёт около пятнадцати минут, а потом распадается на протон, электрон и антинейтрино. Но в двух разных типах экспериментов время жизни получается разным — в пучке частиц нейтроны живут чуть дольше, чем в ловушке.

Тёмная материя невидима, но её можно поймать на отскоке. Водород, встроенный в углеродную плёнку, работает как бильярдный шар: когда в него попадает частица тёмной материи, протон вылетает наружу. Этот вылет и есть искомый сигнал. Авторы идеи предлагают покрыть детектор гидрированным углеродом — материалом, который уже умеют делать тонкими слоями.

Нейтронная звезда — это спрессованный остаток массивного светила: вещество в ней сжато до такой степени, что его гора размером с напёрсток обладает колоссальной плотностью.

Электрон вылетает из ядра трития с энергией 18,57 кэВ, оставляя после себя невидимого партнёра — нейтрино. Если у этого нейтрино есть доступ в пятое измерение, его масса расщепляется на целую башню состояний, и каждое из них отщипывает от спектра свой кусочек.

Гравитационные волны от слияния нейтронной звезды с чёрной дырой несут в себе отпечаток сложнейшей динамики пространства-времени. Чтобы расшифровать этот отпечаток, физики вычисляют амплитуды рассеяния — квантовые вероятности того, что два тела разлетятся под определённым углом.