Темная материя: пожиратель нейтронных звезд

Ученые восхищаются особым типом нейтронных звезд — пульсарами. Не потому что первый обнаруженный пульсар был назван LGM-1 («маленькие зеленые человечки», Little Green Men), а потому что они представляют собой богатую смесь квантовой физики, электромагнетизма и гравитации, и все в одном макроскопическом объекте.

Также они представляют собой большую загадку, обладая сложной структурой и даже, возможно, горами. Другая загадка заключается в том, что нейтронные звезды особого типа отсутствуют в галактических центрах. Есть много возможных причин, объясняющих это отсутствие, но одна из самых интересных заключается в том, что нейтронные звезды пожираются темной материей.

Нейтронные звезды, по сути, представляют собой трупы звезд. После того как все топливо выгорает и звезда взрывается, оставшаяся материя коллапсирует сама в себя. Температура и давление настолько высоки, что электроны и протоны сливаются в нейтроны. Однако их массы недостаточно для того, чтобы гравитация удерживала нейтроны вместе — если бы было достаточно, образовалась бы черная дыра.

Давление, которое не дает нейтронной звезде коллапсировать, называется давлением Ферми. Нейтроны — это фермионы, то есть отталкивают друг друга. Фермионы не могут находиться в одном квантовом состоянии (принцип Паули), поэтому на близкой дистанции их необычное состояние порождает мощнейшие магнитные поля, которые ускоряют заряженные частицы до невероятных энергий по мере вращения звезды. Эти частицы излучают лучи радиации, которые вращаются по кругу, словно свет маяка. Когда мы оказываемся на пути такого луча, мы записываем его как обычный всплеск света.

Нейтронная звезда значительно меньше Земли, обладает массой больше, чем Солнце, и может вращаться более 100 раз в секунду.

Возраст и распределение массы нейтронной звезды представляет своего рода летопись окаменелостей звезд как в нашей галактике, так и во всей Вселенной. Но как и в случае с летописью окаменелостей, встречаются пробелы. В случае нейтронных звезд наиболее очевидным пробелом является то, что рядом с галактическим центром практически нет старых пульсаров с быстрым вращением. Они представляют собой самые тяжелые из пульсаров, но их практически нет рядом с галактическим центром.

Есть возможное объяснение для их видимого отсутствия. Ученые предполагают, что поскольку радиации нужно двигаться через облака заряженных частиц — по большей части, электронов — прежде чем дойти до нас, радиовсплески вытягиваются. Это растяжение может быть настолько большим, что мы просто не видим их. Отсюда и невидимые пульсары.

Однако недавно был обнаружен пульсар недалеко от центра галактики. Наблюдения показали, что его импульсы не очень сильно растягиваются. Этот пульсар представляет собой довольно молодой и энергичный экземпляр. Его хорошо видно, но опять же рождается вопрос: где все старые и быстро вращающиеся пульсары?

Еще одно возможное объяснение заключается в том, что пульсаров просто нет. Недостающие пульсары должны быть тяжелыми, поэтому часть лишней массы могла обратиться в черную дыру. Обычная материя скапливается на внешней части звезды и не дает этому случиться. Но темная материя могла бы накапливаться и в центре нейтронной звезды, приводя к коллапсу пульсара в черную дыру.

Интересно в этой идее то, что она представляет своего рода самоконтроль. Давайте представим, что темная материя накапливается в центре нейтронной звезды, но очень, очень медленно. Может образоваться черная дыра, но она будет крошечной. Крошечная черная дыра испускает много излучения Хокинга, поэтому не может поглощать материю быстрее, чем теряет энергию. В результате она должна испариться во вспышке излучения Хокинга. Следовательно, если черные дыры образуются таким образом, мы можем рассчитать минимальную силу взаимодействия темной материи.

С другой стороны, если темная материя накапливается слишком быстро, то даже в местах, далеких от центра галактики, старых и быстро вращающихся нейтронных звезды вообще не должно быть. Значит, есть и максимальный предел силы взаимодействия.

Кроме того, возраст быстро вращающихся нейтронных звезд должен коррелировать с плотностью темной материи. Наконец, все перечисленные ограничения не могут вступать в противоречия с уже определенными частично свойствами темной материи, полученными в результате других измерений.

Для расчета этих ограничений ученые взяли возраст новообнаруженного пульсара возле галактического центра и старый быстро вращающийся пульсар на таком же расстоянии от галактического центра, что и Земля. Они обнаружили удивительно узкий диапазон силы взаимодействия в зависимости от массы частиц темной материи. Ограничения совершенно не противоречат существующим данным, что приятно.

Но что нужно наверняка, это статистика множества пульсаров и нейтронных звезд на разных расстояниях и с разной плотностью темной материи. Этого пока не было сделано. Возможно, это будет совсем невозможно проделать, поскольку может просто не быть достаточного количества пульсаров для выведения качественной статистики.

Предполагая, что будет достаточно пульсаров для определения корреляций между ожидаемыми концентрациями темной материи и отсутствием пульсаров с высокой массой, мы могли бы найти хорошие доказательства того, что у темной материи есть аппетит к тяжелым нейтронным звездам. Также это предоставит нам хорошую информацию о свойствах темной материи. Если получится, поисковый диапазон частиц темной материи будет значительно сужен.