Фізики-теоретики з Австралії та Німеччини дійшли висновку, що інтенсивність захоплення гіпотетичних частинок темної матерії нейтронними зірками може бути на порядки нижчою, ніж вважалося раніше. Вчені використовували більш точну теорію, в якій враховується складна внутрішня структура нейтрону при його взаємодії з частинками темної матерії, а також не нехтується взаємодією нейтронів один з одним. Дослідження опубліковано в.
Численні астрономічні спостереження за рухом зірок у галактиках вказують на існування темної матерії, проте всі спроби зареєструвати елементарні частинки, з яких ця матерія складається, в земних експериментах досі не увінчалися успіхом. Це означає, що взаємодія темної матерії з частинками Стандартної моделі настільки слабка, що в детекторах темної матерії не відбувається жодного акту взаємодії. Це призвело вчених до ідеї, що варто вивчати результати взаємодії темної матерії з небесними тілами, які складаються з настільки великої кількості частинок і існують так довго, що повинно було відбутися багато актів їх взаємодії з частинками темної матерії. Спочатку було запропоновано вивчати наслідки можливої взаємодії темної матерії з Сонцем, але потім була висунута ідея, що ще кращими детекторами можуть бути нейтронним зірки через їх величезну щільність.
Гіпотетичні наслідки захоплення частинок темної матерії нейтронними зірками залежать від деталей взаємодії цих частинок з нейтронами. Якщо вони накопичуються всередині зірки, передавши свій імпульс нейтронам, то з часом це повинно призвести до настільки істотного збільшення маси нейтронної зірки, що вона колапсує в чорну діру. Якщо ж частинки анігілюють, передавши всю свою енергію речовині нейтронної зірки, то вона нагрівається. Вчені вважають, що за допомогою інфрачервоних телескопів наступного покоління цей нагрів може бути помітний.
При розрахунку взаємодії частинок темної матерії з нейтронною зіркою зазвичай використовуються ті ж наближення, що і при їх взаємодії з зірками і планетами. Ці наближення полягають в ігноруванні внутрішньої структури нейтронів при їх взаємодії з частинками темної матерії і нехтуванні взаємодією нейтронів один з одним.
Група фізиків-теоретиків у складі Ніколь Ф.Белл (Nicole F. Bell), Сандри Роублз (Sandra Robles) і Майкла Віргато (Michael Virgato) з Університету Мельбурна, Джорджіо Бузоні (Giorgio Busoni) з Інституту ядерної фізики Товариства Макса Планка, Тео Ф. Мотти (Theo F. Motta), і Ентоні В. Томаса (Anthony W. Thomas) з Університету Аделаїди провела детальний розрахунок взаємодії частинок темної матерії з нейтронною зіркою, в якому не робилися такі спрощення і виявилося, що більш точний результат дуже сильно відрізняється від наближеного.
Включення взаємодії нейтронів один з одним звелося до заміни маси нейтрона на ефективну масу, яка залежить від щільності нейтронної зірки, що змінюється залежно від глибини (див. малюнок). Вплив цього ефекту на інтенсивність взаємодії темної матерії із зіркою виявився найбільш сильним, якщо маса частинок темної матерії істотно перевищує масу нейтрона. У цьому випадку інтенсивність взаємодії падає приблизно на порядок.
Нейтронна зірка, на відміну від інших космічних об'єктів, які пропонується використовувати в якості детекторів темної матерії, створює дуже сильне гравітаційне поле, що прискорює падають на зірку частинки темної матерії до швидкостей, порівняних зі швидкістю світла. Розрахунок теоретиків показав, що якщо маса частинок темної матерії досить велика (більше маси нейтрона), то при зіткненні з нейтронами зірки її імпульс такий великий, що вона може відчути внутрішню структуру нейтрона, і це знизило інтенсивність їх взаємодії на цілих два порядку. Якщо ж маса частинок темної матерії мала (менше 20 відсотків від маси протона), то неточковість нейтрона майже не впливала на інтенсивність взаємодії.
Облік обох ефектів призвів до зниження інтенсивності взаємодії важких частинок темної матерії з нейтронами (а значить і числа актів взаємодії цих частинок із зіркою) приблизно на три порядку. Для легких же частинок результати обчислень дуже добре збіглися з наближеними.
Раніше ми писали про те, як астрофізики запропонували використовувати екзопланети і Юпітер в якості детекторів темної матерії.