Темна матерія становить близько 85% усієї матерії у Всесвіті, але жодна з гіпотетичних частинок, що претендують на цю роль, досі не зафіксована напряму. Один з кандидатів — аксіон, надзвичайно легка частинка, яку теоретики розглядають ще з кінця 1970-х років. Група дослідників з Іспанії запропонувала шукати сліди аксіонів не в лабораторіях на Землі, а в екстремальних умовах космосу — біля пари нейтронних зірок, що зближуються перед злиттям.
Ідея спирається на давно відомий фізичний механізм: у присутності сильного магнітного поля аксіон здатний перетворюватися на фотон, і навпаки. Такий перехід стає особливо ефективним у певних точках простору — там, де частота коливань фотона в плазмі збігається з масою аксіона. Нейтронні зірки, зазвичай розміром із Місто (діаметром близько 20 км), мають одні з найпотужніших магнітних полів у Всесвіті, тому їх давно розглядають як природні майданчики для такого перетворення. Нова робота переносить фокус з одиночної зірки на подвійну систему.
Магнітосфери двох зірок як лабораторія
Автори змоделювали ситуацію, коли дві нейтронні зірки обертаються одна навколо одної на відстані порядку тисячі кілометрів — це стадія задовго до безпосереднього злиття, коли їхні магнітні поля ще не встигли сильно деформуватися одне одним.
Кожну зірку описали як обертовий магнітний диполь — модель, звичну для опису пульсарів. Сумарне поле навколо пари — це суперпозиція двох таких диполів, що постійно змінюється через орбітальний рух.
Важливу роль відіграє навколишня плазма. Дослідники врахували її вплив через так звану ефективну густину заряду Голдрайха-Джуліана — величину, яка описує розподіл заряджених частинок навколо обертової намагніченої зірки і визначає, на якій частоті плазма «резонує» з фотонами.
Поверхні у формі арахіса
Ключовий результат моделювання — форма ділянок, де відбувається резонансне перетворення аксіона на фотон. Замість простих сферичних оболонок, характерних для одиночної зірки, навколо пари виникають витягнуті поверхні незвичної форми, які автори порівнюють з арахісом.
Ця геометрія — не статична. У міру того, як зірки зближуються по спіралі, форма і розташування резонансних поверхонь поступово змінюються слідом за орбітальним рухом.
Саме ця еволюція форми і лежить в основі головного передбачення роботи: сумарна електромагнітна потужність, що випромінюється через перетворення аксіон-фотон, повільно модулюється в часі — синхронно з частотою гравітаційних хвиль, які випромінює система на цій стадії зближення.
Діапазон мас і сила сигналу
Модель дає конкретний прогноз: ефект потенційно можна виявити для аксіонів з масою в діапазоні від 50 до 170 мікроелектронвольт — надзвичайно легкі частинки за будь-якими земними мірками.
Для константи зв'язку аксіона з фотоном (величини, що визначає, наскільки сильно ці частинки взаємодіють) дослідники встановлюють оцінку менше 10⁻¹¹ ГеВ⁻¹. Це значення, за їхніми розрахунками, потрапляє в діапазон чутливості вже існуючих або запланованих радіообсерваторій.
Якщо аксіони з такими параметрами справді існують, сигнал від подвійної нейтронної зірки повинен мати характерну «підпис»-залежність від маси частинки та впізнавану часову модуляцію, повʼязану з орбітальним рухом.
Що потрібно для реєстрації
Автори наголошують: перевірити передбачення можна лише поєднавши кілька типів спостережень одночасно. Гравітаційно-хвильові детектори фіксують саму подію зближення і дозволяють точно визначити частоту орбітального руху.
Паралельно потрібні радіо- та міліметрові спостереження тієї ж ділянки неба — саме там, за розрахунками, мав би зʼявитися надлишок електромагнітного випромінювання, повʼязаний з перетворенням аксіонів.
Це підхід мультимесенджерної астрономії — коли одну й ту саму подію намагаються «побачити» різними інструментами одночасно. Автори роботи прямо закликають координувати такі пошуки: поки що це теоретичне передбачення, але воно дає конкретний орієнтир, де і що шукати наступного разу, коли гравітаційні детектори зафіксують наближення пари нейтронних зірок.
