Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

– Гран-Сассо, находящейся примерно в часе езды от Рима. В лаборатории мне показали гигантский резервуар диаметром около десяти метров и высотой одиннадцать метров, напоминающий большое зернохранилище. Это самый чувствительный детектор темной материи на Земле – XENON1T. Но, несмотря на десятилетия поисков, работающие с ним – равно как и со всеми другими детекторами – ученые не обнаружили тот сигнал, который искали.

И все же астрономы не сдаются. Основываясь на наблюдаемых гравитационных эффектах, они предполагают, что самая плотная концентрация темной материи вокруг галактики (или группы галактик) должна быть в заваленном всякой всячиной галактическом центре. Это предположение основано на том, что, согласно принятым моделям формирования галактик, в ранней Вселенной сначала образовались гало темной материи, когда за счет гравитации она сформировала сетчатую структуру, называемую космической паутиной, со сгустками темной материи в узлах. Эти сгустки и являются гало темной материи, представляющими собой огромные облака, которые напоминают по форме мячи для американского футбола, с самой высокой концентрацией темной материи в центрах галактик. Поэтому ученые считают, что если пытаться найти темную материю, то лучшим местом для поисков должен быть центр нашей Галактики4.

Дэн Хупер, астрофизик из Чикагского университета, прекрасно это знает. Вот уже два десятилетия он охотится за темной материей по всему Млечному Пути и ищет любые сигналы, которые могли бы доказать ее существование. Хупер в своих поисках сосредоточился на центре нашей Галактики, кроме того, он исследует галактическую плоскость, в которой находится большая часть массы нашей дискообразной Галактики. Но каждый раз, когда он думал, что, возможно, увидел какой-то намек на сигнал от темной материи, его надежды разбивали пульсары: иногда они производят сигналы, похожие на предполагаемые сигналы от темной материи, которые искал Хупер. “Пульсары – это своего рода антагонисты темной материи, – смеется он. – Когда вы наблюдаете что-то экзотическое, что, по вашему мнению, может быть темной материей, вы опасаетесь, что на самом деле это окажутся пульсары”.

История битвы между пульсарами и темной материей началась в конце 1990-х годов, когда на наземном детекторе Milagro в Нью-Мексико обнаружили чрезвычайно высокоэнергетическое диффузное гамма-излучение от всей галактической плоскости. Гамма-излучение – это форма электромагнитного излучения с наибольшей энергией из всех нам известных, и на детекторе Milagro зарегистрировали это излучение с максимальной энергией – около 3,5 тераэлектронвольт (ТэВ), или, иначе, 3,5 триллиона электронвольт (эВ). 1 эВ – это энергия, приобретаемая электроном в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в один вольт. Для сравнения: в старых телевизорах с электронно-лучевыми трубками электроны ускорялись примерно тридцатью тысячами вольт, а это означает, что, когда они ударялись об экран, они имели энергию в тридцать тысяч электронвольт. А энергия в 3,5 ТэВ примерно в сто миллионов раз больше, и это значит, что скорость электрона с такой энергией гораздо выше, чем в электронно-лучевых трубках, и почти достигает скорости света.

Тот факт, что вся галактическая плоскость пронизана гамма-излучением, не стал неожиданностью. Гамма-лучи образуются при радиоактивном распаде атомных ядер. На Земле они рождаются в результате ядерных взрывов и ударов молний. В космосе они генерируются, когда космические лучи, обычно протоны высоких энергий, взаимодействуют с межзвездным газом или когда электроны проносятся сквозь звездный свет или поля галактического излучения. Гамма-излучение в космосе генерируется и при событиях, в которых выделяется высокая энергия, таких как взрывы сверхновых, а также в окрестностях черных дыр и нейтронных звезд. Но когда ученые, анализируя данные, полученные в гамма-обсерватории Milagro, сравнили свои результаты с тем, сколько гамма-излучения должно генерироваться в галактической плоскости в соответствии с количеством наблюдаемых космических лучей, они были поражены, обнаружив превышение этого излучения по крайней мере в десять раз по сравнению с тем, что ожидалось.

Позже, в 2006 году, в космическом эксперименте под названием PAMELA (Pay load for Antimatter Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics, “дополнительное оборудование для исследования антиматерии и астрофизики легких ядер”), проводимом на борту российского спутника, обнаружился избыток еще одних частиц: на этот раз позитронов высоких энергий – античастиц электронов. Ученые считают, что в момент Большого взрыва было произведено равное количество вещества и антивещества. Однако затем материя каким-то образом стала доминировать над антиматерией, и на сегодня во Вселенной обнаружено очень мало антивещества (хотя его можно искусственно создать, причем даже на Земле). Галактическое магнитное поле придает движению этих частиц случайный характер, поэтому невозможно точно определить источник или источники этих позитронов. Но Хупер знал, что электрон-позитронные пары рассеивают свет звезд, отдавая ему свою энергию и превращая его в гамма-излучение с энергией порядка ТэВ. Были ли эти два эффекта – избыток высокоэнергетических гамма-квантов и позитронов – каким-либо образом связаны? И что их порождало?

Когда данные, полученные командой проекта PAMELA, были опубликованы и продемонстрировали избыток позитронов, Хупер стал одним из первых в научном сообществе, кто отреагировал на это. Его первой мыслью была идея о том, что источником этих избыточных позитронов могла быть та самая темная материя, которую он искал всю свою жизнь. У ученых имеется ряд теорий насчет того, что может представлять собой темная материя, и одна из наиболее широко распространенных концепций заключается в том, что темная материя состоит из вимпов (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle), слабо взаимодействующих массивных частиц. Один из типов вимпов – это гипотетические нейтралино, и Хупер предположил, что эти нейтралино могут время от времени сталкиваться и при своей аннигиляции производить потоки экзотических частиц, которые затем могут распадаться на обычные элементарные частицы – электроны и позитроны – и обеспечивать наблюдаемый избыток позитронов. Согласно такой гипотезе, эти электроны и позитроны, движущиеся почти со скоростью света, затем закручиваются по спирали вокруг силовых линий галактического магнитного поля, генерируя так называемое синхротронное излучение (излучение электромагнитных волн). На этих электронах также рассеиваются фотоны низкой частоты, которые составляют свет окружающих звезд, и в результате этого процесса, называемого обратным комптоновским рассеянием, эти фотоны превращаются в гамма-кванты с высокими энергиями.

Хуперу хотелось бы думать, что это сигнал от темной материи, но он не был в этом уверен, поэтому рассмотрел также и альтернативную причину избытка позитронов, источником которых могли быть пульсары. Согласно этому сценарию, мощные магнитные поля нейтронных звезд, вращающиеся вместе с ними, создают электрические поля, которые “вытаскивают” электроны с поверхности пульсаров и ускоряют их. Когда эти электроны с высокими энергиями попадают в магнитные поля, они испускают высокоэнергетические гамма-кванты, точно так же как и в сценарии с темной материей. А когда они покидают магнитное поле пульсара и начинают распространяться по пространству, часть их может спонтанно превратиться в электрон-позитронные пары.