중성자별은 액시온에 가려져 있을 수 있다

암스테르담, 프린스턴, 옥스퍼드 대학의 물리학자 팀은 축사온이라고 알려진 매우 가벼운 입자가 중성자별 주변의 큰 구름에서 발생할 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 축사온은 우주론자들이 찾는 애매한 암흑 물질에 대한 설명을 형성할 수 있으며, 게다가 관찰하기가 그렇게 어렵지 않을 수도 있습니다.

이번 주 초에 새로운 연구가 저널 Physical Review X 에 게재되었습니다 . 이 논문은 저자들이 축과 중성자별을 연구했던 이전 연구의 후속 연구이지만, 완전히 다른 관점에서 연구했습니다. 이전 연구에서 그들은 중성자별에서 빠져나온 축을 조사했지만 , 이제 연구자들은 뒤에 남겨진 축, 즉 별의 중력에 포획된 축에 집중합니다. 시간이 지남에 따라 이러한 입자는 점차 중성자별 주위에 흐릿한 구름을 형성해야 하며, 그러한 축 구름은 우리 망원경에서 관찰할 수 있을 것입니다. 하지만 천문학자와 물리학자들이 먼 별 주위의 흐릿한 구름에 왜 그렇게 관심을 가질까요?

악시온: 비누에서 암흑 물질까지

양성자, 중성자, 전자, 광자 - 우리 대부분은 이 작은 입자 중 적어도 일부의 이름을 알고 있습니다. 액시온은 덜 알려져 있고, 그럴 만한 이유가 있습니다. 현재로서는 가설적인 유형의 입자일 뿐입니다. 아무도 아직 발견하지 못했습니다. 비누 브랜드의 이름을 따서 명명된 이 입자의 존재는 1970년대에 처음 가정되었습니다. 우리가 아주 잘 관찰할 수 있는 입자 중 하나인 중성자에 대한 이해에서 문제를 해결하기 위해서였습니다. 그러나 이론적으로는 매우 좋지만, 이러한 액시온이 존재한다면 매우 가벼워서 실험이나 관찰에서 감지하기가 매우 어려울 것입니다.

오늘날, 축음기는 현대 물리학에서 가장 큰 미스터리 중 하나인 암흑 물질을 설명하는 선두 주자로 알려져 있습니다. 많은 다른 증거에 따르면 우리 우주의 물질 함량의 약 85%가 '암흑'이라고 합니다. 즉, 우리가 알고 현재 관찰할 수 있는 어떤 유형의 물질로도 구성되어 있지 않다는 것을 의미합니다. 대신, 암흑 물질의 존재는 암흑 물질이 가시 물질에 미치는 중력적 영향을 통해 간접적으로만 추론됩니다. 다행히도, 이것이 암흑 물질이 가시 물질과 전혀 상호 작용하지 않는다는 것을 자동으로 의미하지는 않지만, 그러한 상호 작용이 존재한다면 그 강도는 필연적으로 작습니다. 이름에서 알 수 있듯이, 실행 가능한 암흑 물질 후보는 직접 관찰하기가 매우 어렵습니다.

물리학자들은 1과 1을 합치면, 액시온이 암흑 물질 문제를 해결하기 위해 찾고 있는 바로 그 것이라는 것을 깨달았습니다. 아직 관찰되지 않은 입자, 매우 가볍고 다른 입자와의 상호 작용이 매우 약한 입자... 액시온이 암흑 물질에 대한 설명의 일부일 수 있을까요?

돋보기로서의 중성자별

악시온을 암흑 물질 입자로 보는 아이디어는 좋지만, 물리학에서 아이디어는 관찰 가능한 결과가 있을 때만 진정으로 좋습니다. 악시온의 존재 가능성이 처음 제안된 지 50년이 지난 지금, 악시온을 관찰할 방법이 있을까요?

전기장과 자기장에 노출되면, 축이온은 광자(빛의 입자)로 변환될 수 있고 그 반대도 가능합니다. 빛은 우리가 관찰하는 방법을 알고 있는 것이지만, 언급했듯이, 해당 상호작용 강도는 매우 작아야 하며, 따라서 축이 일반적으로 생성하는 빛의 양도 작아야 합니다. 즉, 이상적으로는 매우 강한 전자기장에 있는, 정말 엄청난 양의 축이 있는 환경을 고려하지 않는 한 말입니다.

이로 인해 연구자들은 우리 우주에서 가장 밀도가 높은 별인 중성자별을 고려하게 되었습니다. 이 물체는 우리 태양과 비슷한 질량을 가지고 있지만 12~15km 크기의 별로 압축되어 있습니다. 이러한 극한의 밀도는 똑같이 극한의 환경을 만들어내는데, 특히 지구에서 발견되는 어떤 것보다 수십억 배 더 강한 엄청난 자기장을 포함하고 있습니다. 최근 연구에 따르면 축이 존재한다면 이러한 자기장 덕분에 중성자별이 표면 근처에서 이러한 입자를 대량 생산할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

뒤에 남는 사람들

이전 연구에서 저자들은 생산 후 별에서 빠져나간 축에 초점을 맞췄습니다. 그들은 이러한 축이 생성될 양, 축이 따라갈 궤적, 그리고 축이 빛으로 변환되면 약하지만 잠재적으로 관찰 가능한 신호가 어떻게 생성될 수 있는지 계산했습니다. 이번에는 탈출하지 못한 축을 고려합니다. 즉, 작은 질량에도 불구하고 중성자별의 엄청난 중력에 걸리는 축입니다.

악시온의 매우 약한 상호 작용으로 인해 이러한 입자는 주변에 머물며, 수백만 년에 이르는 시간 척도에서 중성자별 주위에 축적됩니다.이로 인해 중성자별 주위에 매우 밀도가 높은 악시온 구름이 형성될 수 있으며, 이는 악시온 연구에 놀라운 새로운 기회를 제공합니다.연구자들은 논문에서 이러한 악시온 구름의 형성, 속성 및 추가 진화를 연구하면서 악시온 구름이 존재해야 하며, 많은 경우 반드시 존재해야 한다고 지적합니다.사실, 저자들은 악시온이 존재한다면 악시온 구름은 일반적 이어야 하며 (광범위한 악시온 속성의 경우 대부분, 아마도 모든 중성자별 주위에 형성되어야 함), 일반적으로 매우 밀도가 높아야 하며 (국부적 암흑 물질 밀도보다 아마도 20개 정도 더 큰 밀도를 형성) 이 때문에 강력한 관측적 시그니처 로 이어질 것이라고 주장합니다 . 후자는 잠재적으로 여러 유형으로 나타날 수 있으며, 저자는 그 중 두 가지를 논의합니다. 중성자별 수명의 대부분 동안 방출되는 연속적인 신호와 중성자별 수명의 마지막에 전자기파를 생성하는 것을 멈출 때 발생하는 일회성 빛의 폭발입니다. 이 두 가지 시그니처는 모두 관찰되어 현재의 한계를 넘어 축과 광자 간의 상호 작용을 조사하는 데 사용될 수 있으며, 기존의 전파 망원경을 사용하더라도 가능합니다.

다음은 무엇인가요?

지금까지 악시온 구름은 관찰되지 않았지만, 새로운 결과를 통해 우리는 무엇을 찾아야 할지 매우 정확하게 알게 되어 악시온에 대한 철저한 검색이 훨씬 더 실현 가능해졌습니다. 따라서 할 일 목록의 주요 요점은 '악시온 구름 검색'이지만, 이 작업은 또한 탐구할 수 있는 몇 가지 새로운 이론적 경로를 열어줍니다.

우선, 저자 중 한 명은 이미 악시온 구름이 중성자별 자체의 역학을 어떻게 바꿀 수 있는지 연구하는 후속 작업에 참여하고 있습니다. 또 다른 중요한 미래 연구 방향은 악시온 구름의 수치 모델링입니다. 현재 논문은 엄청난 발견 잠재력을 보여주지만, 무엇을 어디에서 찾아야 할지 더 정확하게 알기 위해서는 더 많은 수치 모델링이 필요합니다. 마지막으로, 현재 결과는 모두 단일 중성자별에 대한 것이지만, 이러한 별 중 다수는 이진의 구성 요소로 나타납니다. 때로는 다른 중성자별과 함께, 때로는 블랙홀과 함께 나타납니다. 이러한 시스템에서 악시온 구름의 물리학을 이해하고 잠재적으로 관측 신호를 이해하는 것은 매우 귀중할 것입니다.

따라서 본 연구는 새롭고 흥미로운 연구 방향으로 나아가는 중요한 단계입니다. 액시온 구름에 대한 완전한 이해는 입자 (천체)물리학, 플라스마 물리학, 관측 전파 천문학을 포함한 여러 과학 분야의 보완적 노력이 필요합니다. 이 연구는 미래 연구를 위한 많은 기회를 제공하는 이 새로운 학제간 분야를 열어줍니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241018131244.htm