Загадочные аксионы: LIGO может обнаружить частицы темной материи
Ученые утверждают, что если аксионы и в самом деле существуют, обладая при этом произвольной массой, то вращение черной дыры должно производить огромное облако частиц, которые, в свою очередь, испускают гравитационные волны сродни тем, что год назад открыл LIGO. Если гипотеза ученых верна, то прибор, хоть и косвенно, сможет обнаружить аксионы. Черные дыры обладают интенсивным гравитационным полем, которое возникает, когда массивная звезда выгорает и схлопывается в точку. На некотором расстоянии от этой точки, определяющей «горизонт событий» черной дыры, гравитация возрастает так сильно, что может захватывать даже фотоны света. Напомним, что в сентябре 2015 года LIGO обнаружил всплеск ряби в пространстве — гравитационные волны, исходившие от слияния двух черных дыр.
Аксионы, если они существуют, являются незаряженными частицами, которые скорее всего в миллиард раз массивнее электрона или фотона. Эта теория, придуманная в 1970-е годы, позволяет объяснить любопытную математическую симметрию в теории частиц (кварков и глюонов), которые составляют протоны и нейтроны. Аксионы, плавающие в пространстве, также могут быть той самой «темной материей», которая, как полагают физики, составляет порядка 85% всей материи во Вселенной. В настоящее время ученые пытаются обнаружить аксионы экспериментальным путем, стараясь превратить их в фотоны с помощью магнитных полей.
Асимина Арванитаки и Маша Барьяхтар, теоретики из Института теоретической физики Ватерлоо, Канада, полагают, что LIGO поможет им обнаружить аксионы с помощью изучения черных дыр. Суть в том, что если масса частицы находится в определенном диапазоне, то аксион попросту застрянет на орбите черной дыры и вызовет сверхлюминесценцию, которая, к примеру, в некоторых лазерах приводит к дроблению фотонов. Если аксион не пересекает горизонт событий, но остается подле него, то вращение черной дыры придаст ему дополнительную энергию. Таким образом, аксион, квантовые свойства которого местами напоминают свойства фотонов, будет испускать импульс, создающий все больше аксионов, и так далее. В итоге, вращение черной дыры порождает огромное количество частиц.
Но для всего вышеописанного процесса должно иметь место ключевое условие. Квантовая частица, как известно, может также вести себя как волна с более легкими частицами, обладающими большей длиной волны. Для сверхизлучения и распада, длина волны аксиона должна быть такой же, как и ширина черной дыры. Исходя из этого, частица должна быть невероятно легкой: ее масса колышется в диапазоне от 1/10 000 000 и 1 / 10 000 — тот диапазон, который может засечь современная техника. Аксионы при это будут формировать квантовые волны, аналогичные орбитам электронов в атоме. Все это может прозвучать фантастично, но базовая физика сверхлюминесценции хорошо известна ученым.
Барьяхтар говорит, что аксионное облако может проявляться различными способами. Наиболее перспективной является теория о том, что аксионы, сталкиваясь в облаке, должны взаимоуничтожаться и производить гравитоны — частицы, которые, как считают ученые, создают гравитацию так же, как фотоны создают световой поток. Покидая аккуратные квантовые облака, гравитоны образовывали бы непрерывные волны с частотой, которая зависела бы от их массы. LIGO сможет обнаружить тысячи таких источников в год, о чем физики говорят в статье, опубликованной в Physical Review D. Они признают, что отслеживание этих сигналов на практике может быть сложнее, чем обнаружение очередей из сталкивающихся черных дыр.
Аксионные облака могут также служить источником косвенных сигналов. Теоретически. Черная дыра может вращаться с околосветовой скоростью. Тем не менее, аксионы могут частично замедлять вращение, в результате чего, согласно LIGO, черные дыры никогда не достигают пикового предела скорости, хотя и подходят к нему практически вплотную. Но вот обнаружение этих искажений будет для аппарата весьма трудоемкой задачей, поскольку LIGO может производить измерение спинов столкновений черных дыр лишь с 25% точностью.
Тем не менее, физики предупреждают, что если LIGO не увидит аксионы — это вовсе не означает, что их нет. Ученое сообщество считает теорию своих коллег одной из самых перспективных на сегодняшний день, и следующий год покажет, правы они или нет.
