Аксионы можно обнаружить по рентгеновскому нагреву аккреционного диска черной дыры

Ультралегкие аксионы — одни из кандидатов на роль частиц темной материи. Их крайне сложно зафиксировать напрямую, поэтому астрофизики ищут косвенные признаки.

Группа исследователей в новой работе, опубликованной на arXiv, предложила использовать для этого рентгеновские двойные системы, состоящие из черной дыры и обычной звезды. Если вокруг черной дыры формируется облако аксионов за счет эффекта сверхизлучения, оно может взаимодействовать с плазмой аккреционного диска и нагревать его.

Авторы рассчитали, как производная связь аксионов с фермионами плазмы приводит к обратному тормозному излучению. Это вызывает флуктуации температуры диска, которые отражаются на его тепловом рентгеновском спектре.

Модель тонкого и многоцветного диска показывает, что при нагреве аксионами спектр меняется: растет поток тепловых фотонов, а пиковая частота смещается в красную или синюю область в зависимости от параметров.

Исследователи оценили возможности обнаружения для черной дыры массой 10 масс Солнца. При чувствительности измерений 10% (1%) ограничение на константу связи аксионов с электронами |g_ae| может составить от 7.5x10^-12 до 2.4x10^-12 для массы аксиона 5.2x10^-12 эВ и от 4.5x10^-12 до 1.4x10^-12 для массы 1.0x10^-11 эВ.

Это сопоставимо с чувствительностью эксперимента XENONnT, который ищет аксионы в лабораторных условиях. Астрофизический метод дает дополнительную возможность: детальное моделирование непрерывного спектра может улучшить результат и дополнить измерения торможения вращения черной дыры.

Таким образом, рентгеновские обсерватории нового поколения могут превратиться в инструмент для поиска темной материи. Авторы подчеркивают, что анализ спектра уже существующих данных способен дать новые ограничения.