Поиск невидимых частиц: как гипотетические частицы могут убивать белых карликов

Одним из способов поиска невидимых гипотетических частиц является анализ того, как быстро они могут убить белых карликов — плотные, оставшиеся ядра мертвых звезд.

В последние годы астрономы все больше интересуются теоретической частицей, известной как аксион, которая была придумана decades назад для решения сложной проблемы с сильным ядерным взаимодействием. После первых попыток найти его в экспериментах с частицными ускорителями, которые не дали результатов, идея аксиона отошла на задний план.

Однако дальнейшие исследования показали, что аксион может быть претендентом на объяснение загадки темной материи. Теоретики осознали, что могут быть способы, благодаря которым аксионы могут заполнить Вселенную, но до сих пор избегают прямого обнаружения.

Просто потому, что эта маленькая частица будет в основном невидимой, это не значит, что она не будет замечена во Вселенной. В предпечатной статье, опубликованной в ноябре 2025 года на открытом сервере arXiv, исследователи сообщили о способе тестировать модели аксионов с использованием старых архивных данных телескопа Хаббла. Хотя они не нашли никаких доказательств существования аксионов, они улучшили другие попытки и дали нам более четкое представление о том, что является допустимым во Вселенной.

Целью этого исследования были белые карлики — плотные, тусклые ядра мертвых звезд. Один белый карлик может содержать массу Солнца в объекте, меньшем Земли, что делает белых карликов одними из самых экзотических объектов во Вселенной. Критически важно, что белые карлики поддерживают себя против гравитационного коллапса с помощью так называемого давления дегенерации электронов, при котором огромное море свободно плавающих электронов сопротивляется коллапсу, потому что, согласно квантовой механике, электроны никогда не могут делить одно и то же состояние.

Некоторые модели поведения аксионов предполагают, что эти частицы могут быть созданы электронами: если электрон движется достаточно быстро, он может вызвать образование аксиона. И поскольку электроны глубоко внутри белого карлика движутся очень, очень быстро — почти со скоростью света — когда они циркулируют в своих тесных ограничениях, они могут произвести много аксионов.

Аксионы затем уходят со скоростью, покидая белый карлик совсем. Этот процесс производства аксионов приведет к потере энергии белым карликом. И поскольку белые карлики не производят энергию сами по себе, это приведет к их более быстрому охлаждению, чем если бы они не производили аксионы.

Исследователи применили эту модель охлаждения аксионами к сложному программному комплексу, который может симулировать эволюцию звезд и изменения их температуры и яркости при эволюции их внутренней структуры.

Эта модель позволила исследователям предсказать типичную температуру белого карлика, учитывая его возраст, как с охлаждением аксионами, так и без него. С результатами в руках, они обратились к данным о звездном скоплении 47 Тукана, собранным с помощью Хаббла. Звездные скопления являются важными, потому что все белые карлики в них родились примерно в одно и то же время, давая астрономам большую выборку для изучения.

Короче говоря, исследователи не нашли никаких доказательств охлаждения аксионами в популяции белых карликов. Но их результаты дали новые ограничения на способность электронов производить аксионы: они не могут делать это более эффективно, чем один раз из триллиона попыток.

Этот результат не исключает полностью аксионы, но он говорит о том, что маловероятно, что электроны и аксионы взаимодействуют напрямую. Итак, если мы хотим продолжать поиск аксионов, нам нужно найти еще более умные способы их обнаружения.