17 августа 2017 года лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO в США и детектор Virgo в Италии Virgo зарегистрировали гравитационные волны, которые были вызваны слиянием двух нейтронных звёзд. Это событие наблюдалось как на гравитационных детекторах, так и десятками телескопов на Земле и в космосе.

Художественная иллюстрация двух сливающиеся нейтронных звёзд.
Источник: National Science Foundation / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Это событие, известное как GW170817, стало основой для новых исследований научного сотрудника университетского Центра космических наук Макдоннелла Бхупала Дева, который провёл анализ наблюдений, чтобы вывести новые ограничения на аксионоподобные частицы. Эти гипотетические частицы непосредственно не наблюдались, но они появляются во многих расширениях стандартной модели.

Аксионы — гипотетические частицы, которые являются главными кандидатами на то, чтобы составлять тёмную материю. По крайней мере, эти слабо взаимодействующие частицы могут служить своего рода «порталом», соединяющим хорошо изученную часть Вселенной с неизведанной.

По словам Дейва, остатки после слияния нейтронных звезд создают идеальные условия для образования экзотических частиц, включая аксионы: «Остаток становится намного горячее, чем отдельные звёзды, примерно на секунду, прежде чем превратиться в более крупную нейтронную звезду или чёрную дыру, в зависимости от начальной массы». Эти новые частицы покидают область слияния и вдали от своего источника могут распадаться на частицы, обычно это фотоны. 

В результате исследования, учёные обнаружили, что ускользающие частицы могут порождать уникальные электромагнитные сигналы, которые можно обнаружить с использованием гамма-лучевых телескопов, таких как Fermi-LAT от NASA. Исследовательская группа проанализировала спектральную и временную информацию этих электромагнитных сигналов и смогла отличить сигналы от астрофизического фона. Затем учёные использовали данные Fermi-LAT о событии GW170817, чтобы вывести новые ограничения на взаимодействие аксион-фотон в зависимости от массы аксиона. Полученные результаты дополнили ограничения, полученные в результате лабораторных экспериментов.

Будущие исследования могут основываться на использовании гамма-лучевых телескопов, таких как Fermi-LAT, или миссии регистрации гамма-излучения, такие как Advanced Particle-Astrophysical Telescope (APT) для измерений во время слияний нейтронных звёзд и улучшить понимание аксионоподобных частиц. Экстремальные условия предоставляют новые возможности для поиска частиц «тёмного сектора», которые могут иметь решающее значение в понимании недостающей 85% всей материи во Вселенной.