Dodano: 19 styczeń 2021r.

Nowy trop w poszukiwaniach aksjonów – hipotetycznych cząstek tworzących ciemną materię

Dowody na istnienie od dawna poszukiwanych, hipotetycznych cząstek tworzących ciemną materię, tzw. aksjonów, mogły przez cały czas znajdować się na widoku – twierdzą fizycy teoretyczni z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Uczeni wskazują, że to właśnie aksjony mogą być źródłem niewyjaśnionych, wysokoenergetycznych emisji promieniowania rentgenowskiego otaczających pewną grupę gwiazd neutronowych.

Ciemna materia

 

Naukowcy sugerują, że emisja promieniowania rentgenowskiego pochodząca z grupy gwiazd neutronowych nazywanych Magnificent Seven jest tak duża, że mogą za nią stać aksjony, dawno przewidywany rodzaj cząstek wykutych w gęstych jądrach tych martwych obiektów. Jeśli odkrycia te zostaną potwierdzone, mogą pomóc w rozwikłaniu niektórych tajemnic Wszechświata, w tym natury ciemnej materii. Nawet jeśli okaże się, że nadmiar promieniowania rentgenowskiego nie jest dziełem aksjonów i tak może to ujawnić nową fizykę.

Badaniami kierował Benjamin Safdi, członek grupy teoretycznej Berkeley Lab Physics Division, a ich opis ukazał się na łamach pisma „Physical Review Letters”.

Aksjony

Aksjony to hipotetyczne cząstki subatomowe o ultra małej masie, które mogą tworzyć ciemną materię. Zgodnie z przewidywaniami, nie mają one ładunku elektrycznego ani spinu. Nazwę nadał im amerykański fizyk polsko-włoskiego pochodzenia – Frank Wilczek, a sama nazwa pochodzi o marki pewnego proszku do prania.

Z kolei ciemna materia to także hipotetyczna materia, która według założeń nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach.

Mimo lat poszukiwań istnienie ciemnej materii nie zostało potwierdzone. Naukowcy wciąż starają się dociec, jaka jest jej dokładna natura i co ją tworzy. Zarówno obserwacje, jak i modele kosmologiczne sugerują, że tylko ok. 5 proc. masy i energii zawartej we Wszechświecie to materia barionowa, czyli ta zwykła, znana nam materia. Reszta to nieznane nam jeszcze składniki stanowiące ciemną materię oraz ciemną energię, która też jest hipotetyczną formą energii.

Jeśli aksjony istnieją, to prawdopodobnie powstają w jądrach gwiazd, ale te gwiezdne aksjony nie są tym samym, co aksjony ciemnej materii. Jednak odkrycie pasujących do opisu aksjonów cząstek subatomowych oznaczałoby istnienie innych rodzajów podobnych cząstek, czyli innych aksjonów.

Gwiazdy neutronowe

Jednym ze sposobów poszukiwania aksjonów jest poszukiwanie nadmiaru promieniowania. Badacze uważają, że aksjony powstające w jądrach gwiazd rozpadną się na fotony w obecności pola magnetycznego. Zatem jeśli w obszarze, w którym naukowcy podejrzewają ten rozpad, wykryte zostanie więcej promieniowania elektromagnetycznego niż powinno, może to stanowić przesłankę istnienia aksjonów.

Taki nadmiar promieniowania został wykryty właśnie w grupie gwiazd neutronowych nazywanych Magnificent Seven. Kiedy umierają najbardziej masywne gwiazdy, zapadają się pod wpływem własnej grawitacji i pozostawiają po sobie czarne dziury. Gdy umierają nieco mniej masywne gwiazdy, wybuchają w supernowych i pozostawiają gęste, martwe szczątki i to właśnie te szczątki są gwiazdami neutronowymi.

Są to jedne z najgęstszych obiektów we Wszechświecie i ustępują w tym względzie tylko czarnym dziurom. Badacze często używają dość wyraźnego porównania: łyżeczka materiału gwiazdy neutronowej ważyłaby na Ziemi około cztery miliardy ton. Atomy wewnątrz gwiazdy neutronowej są tak mocno ze sobą związane, że zachowują się w sposób niespotykany nigdzie indziej.

Gwiazdy z grupy Magnificent Seven mają wiele wspólnych cech. Znajdują się dość blisko siebie, w odległości kilkuset lat świetlnych. Znajdują się w promieniu około 1500 lat świetlnych od nas. Są gwiazdami neutronowymi w średnim wieku, których śmierć nastąpiła kilkaset tysięcy lat temu. Wszystkie ochładzają się, emitując przy tym niskoenergetyczne tzw. miękkie promieniowanie rentgenowskie. Wszystkie mają silne pola magnetyczne, biliony razy silniejsze niż ziemskie, wystarczająco silne, aby wywołać rozpad aksjonu. To czyni je doskonałym laboratorium do poszukiwania tych nieuchwytnych cząstek subatomwych.

Nadmiar promieniowania

Zespół Safdiego wykorzystał obserwatoria kosmiczne: XMM-Newton należące do Europejskiej Agencji Kosmicznej i teleskop kosmiczny Chandra należący do NASA i pracujący w zakresie promieni rentgenowskich. W trakcie badań uczeni wykryli wysokoenergetyczną (twardą) emisję promieniowania rentgenowskiego, a tego typu emisja raczej nie jest oczekiwana dla gwiazd neutronowych. Na tej podstawie uczeni orzekli, że źródłem tego nadmiernego promieniowania mogą być właśnie aksjony.

Jednak w kosmosie zachodzi wiele procesów, które mogą wytwarzać promieniowanie. Badacze sprawdzili, czy za nadwyżką promieniowania nie stoją czasem pulsary, ale obiekty te emitują silne promieniowanie o różnych długościach fal, które byłoby wyraźne w całym widmie elektromagnetycznym i mogłoby zagłuszyć odkrytą sygnaturę rentgenowską. Uczeni badali też możliwość, że za emisją stoją inne obiekty ukryte z gwiazdami neutronowymi, ale to prawdopodobnie także dałoby się wykryć w zestawie danych pozyskanych przez kosmiczne obserwatoria, poza tym dane wskazały, że emisja pochodzi z gwiazd neutronowych.

Sami autorzy badań wskazują, że jest całkiem możliwe, iż pojawi się inne, nie-aksjonowe wyjaśnienie obserwacji nadmiaru promieniowania rentgenowskiego, chociaż nadal mają nadzieję, że takie wyjaśnienie będzie znajdować się poza Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych.

Nowa fizyka

- Jesteśmy całkiem pewni, że ten nadmiar istnieje. Jesteśmy też przekonani, że jest coś nowego w tym nadmiarze. Gdybyśmy mieli stuprocentową pewność, że to, co widzimy, to nowa cząstka, byłoby to ogromne odkrycie. To byłaby rewolucja w fizyce - powiedział Safdi.

- Nie twierdzimy, że dokonaliśmy odkrycia aksjonu, ale mówimy, że dodatkowe promieniowanie rentgenowskie można wyjaśnić właśnie aksjonami – zaznaczył Raymond Co z University of Minnesota, który współpracował z uczonymi z LBNL.

Gdyby aksjony faktyczni istniały, należałoby oczekiwać, że zachowywałyby się podobnie jak neutrina w gwiazdach. Neutrina mają niewielką masę i bardzo rzadko i słabo oddziałują z materią. Podobnie wygląda opis teoretyczny aksjonów.

Obie cząstki mogłyby powstać w dużych ilościach we wnętrzu gwiazd. Podobnie jak neutrina, aksjony byłyby w stanie podróżować poza gwiazdę. Niesamowicie silne pole magnetyczne otaczające gwiazdy neutronowe mogłoby powodować, że wychodzące na zewnątrz aksjony zamieniają się w światło.

 

Źródło: Lawrence Berkeley National Laboratory