Как искать невидимые гипотетические частицы? Один из способов — наблюдать, насколько быстро они способны "убивать" белые карлики, плотные остатки мёртвых звёзд.

В последние годы астрономы всё активнее интересуются теоретической частицей под названием аксион. Её придумали несколько десятилетий назад, чтобы решить сложную проблему с сильным ядерным взаимодействием. Первые попытки обнаружить аксион в экспериментах на ускорителях частиц не дали результатов, и идея временно отошла на второй план.

Однако дальнейшие исследования показали, что аксион может быть серьёзным претендентом на роль тёмной материи. Теоретики поняли, что эти частицы могли бы заполнять Вселенную в огромных количествах, но при этом успешно избегать прямого обнаружения.

Невидимые, но не совсем незаметные

Даже если аксион почти не взаимодействует с обычной материей, он всё равно мог бы оставлять следы. В препринте, опубликованном в ноябре 2025 года на сервере arXiv, исследователи предложили способ проверки моделей аксионов с помощью архивных данных телескопа Hubble. Хотя прямых доказательств существования аксионов найдено не было, работа установила новые, самые строгие на сегодня ограничения.

Объектами исследования стали белые карлики — плотные, тусклые ядра выгоревших звёзд. Один белый карлик может содержать массу Солнца в объёме, меньшем, чем Земля. Такие объекты поддерживают себя от коллапса благодаря давлению вырождения электронов: согласно квантовой механике, электроны не могут находиться в одинаковых состояниях, и это создаёт мощное сопротивление сжатию.

Некоторые модели предсказывают, что аксионы могут рождаться в процессах с участием электронов. Если электрон движется достаточно быстро, он способен породить аксион. А в недрах белых карликов электроны носятся с околосветовыми скоростями из-за крайней плотности вещества — идеальные условия для массового производства аксионов.

Родившиеся аксионы практически не взаимодействуют с окружающим веществом и свободно покидают белый карлик, унося с собой энергию. Поскольку белые карлики уже не производят энергию термоядерными реакциями, такой отток привёл бы к их более быстрому охлаждению.

Моделирование и наблюдения

Исследователи встроили модель аксионного охлаждения в сложный программный комплекс, который симулирует эволюцию звёзд и изменение их температуры и яркости со временем. Это позволило предсказать ожидаемую температуру белых карликов определённого возраста — как с аксионами, так и без них.

Затем полученные предсказания сравнили с реальными данными Hubble по шаровому скоплению 47 Tucanae. Шаровые скопления идеальны для таких исследований: все звёзды в них родились примерно одновременно, а значит, белые карлики там имеют близкий возраст, что даёт большую и однородную выборку.

В итоге признаков аксионного охлаждения обнаружено не было. Однако работа дала новые ограничения: электроны не могут производить аксионы эффективнее, чем один раз на триллион взаимодействий.

Что дальше

Это не исключает аксионы полностью, но делает маловероятным их прямое взаимодействие с электронами. Если мы хотим продолжать поиски, придётся придумывать ещё более изощрённые методы.

Белые карлики, эти тихие "пенсионеры" звёздной эволюции, продолжают служить естественными лабораториями для проверки фундаментальной физики. Их медленное угасание может в один прекрасный день выдать секрет одной из величайших загадок Вселенной — природы тёмной материи.

Вкратце

В ноябре 2025 года опубликована работа, использующая данные Hubble о белых карликах в скоплении 47 Tucanae для поиска следов аксионов. Идея: аксионы, рождаемые быстрыми электронами в недрах карликов, могли бы ускорять их охлаждение. Признаков такого эффекта не найдено, но установлены новые строгие ограничения на взаимодействие аксионов с электронами (не чаще одного раза на триллион). Это сужает пространство возможных моделей, но не закрывает аксионы как кандидатов на тёмную материю — поиски продолжатся другими способами.