Aksjon ciemnej materii zostanie wytworzony i przekształcony w promieniowanie gamma podczas supernowej. Czy będziemy mieli szczęście go zobaczyć?
Poszukiwania ciemnej materii we Wszechświecie mogą zakończyć się jutro – pod warunkiem, że w pobliżu pojawi się supernowa i dopisze nam szczęście.
Natura ciemnej materii wymyka się astronomom od 90 lat, odkąd zdano sobie sprawę, że 85% materii we Wszechświecie nie jest widoczne przez nasze teleskopy. Najbardziej prawdopodobnym kandydatem na ciemną materię jest obecnie aksjon – lekka cząstka, którą naukowcy z całego świata desperacko próbują odnaleźć.
Astrofizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley (UC Berkeley) twierdzą teraz, że aksjon mógł zostać odkryty w ciągu kilku sekund od wykrycia promieni gamma z eksplozji pobliskiej supernowej. Aksjony, jeżeli istnieją, byłyby produkowane w dużych ilościach w ciągu pierwszych 10 sekund po zapadnięciu się jądra masywnej gwiazdy w gwiazdę neutronową; aksjony te uciekałyby i zostały przekształcone w wysokoenergetyczne promienie gamma w intensywnym polu magnetycznym gwiazdy.
Takie obserwacje są obecnie możliwe tylko wtedy, gdy jedyny teleskop promieniowania gamma na orbicie, Fermi Gamma-ray Space Telescope, będzie skierowany w stronę supernowej w momencie jej wybuchu. Biorąc pod uwagę pole widzenia teleskopu, jest to jedna szansa na 10.
Jednak pojedyncza detekcja promieniowania gamma pozwoliłaby określić masę aksjonu, w szczególności tak zwanego aksjonu QCD, w ogromnym zakresie teoretycznych mas, w tym zakresów badanych obecnie w eksperymentach na Ziemi. Brak detekcji wyeliminowałby jednak duży zakres potencjalnych mas aksjonu i sprawiłby, że większość obecnie realizowanych projektów poszukiwania ciemnej materii straciłaby sens.
Problem polega na tym, że aby promienie gamma były wystarczająco jasne, by można je było wykryć, supernowa musi znajdować się w pobliżu – w naszej Galaktyce Drogi Mlecznej lub w jednej z jej galaktyk satelitarnych – a pobliskie gwiazdy wybuchają średnio co kilkadziesiąt lat. Ostatnia pobliska supernowa miała miejsce w 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana, jednym z satelitów Drogi Mlecznej. W tym czasie nieistniejący już teleskop promieniowania gamma, Solar Maximum Mission, był skierowany w stronę supernowej, ale nie miał wystarczającej czułości, aby wykryć przewidywaną intensywność promieniowania gamma zgodnie z analizą zespołu UC Berkeley.
Gdybyśmy mogli zobaczyć supernową taką jak supernowa 1987A za pomocą nowoczesnego teleskopu promieniowania gamma, bylibyśmy w stanie wykryć aksjon QCD, – tj. te jego parametry, których nie można zbadać w laboratorium, a także w dużej części te, dla których jest to możliwe. A wszystko to wydarzyłoby się w ciągu 10 sekund – powiedział Benjamin Safid, profesor nadzwyczajny fizyki UC Berkeley i autor artykułu, który został opublikowany online 19 listopada w czasopiśmie „Physical Review Letters”.
Naukowcy obawiają się jednak, że gdy w pobliskim Wszechświecie wybuchnie długo oczekiwana supernowa, nie będziemy gotowi, by zaobserwować promieniowanie gamma wytwarzane przez aksjony. Naukowcy rozmawiają teraz z kolegami, którzy budują teleskopy promieniowania gamma, aby ocenić wykonalność uruchomienia jednego lub floty takich teleskopów, by pokryć 100% nieba 24 godziny na dobę – i mieć pewność, że wyłapią każdy wybuch promieniowania gamma. Zaproponowali nawet nazwę dla konstelacji satelitów wykrywających promieniowanie gamma – GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS).
Myślę, że wszyscy autorzy tej pracy są zestresowani faktem, że kolejna supernowa wybuchnie, zanim będziemy dysponować odpowiednim oprzyrządowaniem – powiedział Safid. Byłoby naprawdę szkoda, gdyby supernowa wybuchła jutro, a my stracilibyśmy okazję do wykrycia aksjonu – możemy nie mieć następnej przez kolejne 50 lat.
Współautorami pracy Safiego są doktorant Yujin Park oraz doktorzy Claudio Andrea Manzari i Inbar Savoray. Wszyscy czterej są pracownikami wydziału fizyki UC Berkeley i członkami grupy fizyki teoretycznej w Lawrence Berkeley National Laboratory.
Aksjony QCD
Poszukiwania ciemnej materii początkowo koncentrowały się na słabych, masywnych, zwartych obiektach halo (massive astrophysical compact halo object, MACHO), teoretycznie rozsianych po naszej Galaktyce i kosmosie. Gdy jednak nie udawało się ich odszukać, fizycy zaczęli szukać cząstek elementarnych, które teoretycznie są wszędzie wokół nas i powinny być wykrywalne w laboratoriach na Ziemi. Te słabo oddziałujące masywne cząstki (weakly interacting massive particles, WIMP) również się nie pojawiły. Obecnie najlepszym kandydatem na ciemną materię jest aksjon – cząstka, która dobrze pasuje do standardowego modelu fizyki i rozwiązuje kilka innych zagadek w fizyce cząstek elementarnych. Aksjony doskonale wpisują się również w teorię strun – hipotezę dotyczącą podstawowej geometrii Wszechświata – i mogą być umożliwić połączenie teorii grawitacji, która wyjaśnia interakcje w skalach kosmicznych, z teorią mechaniki kwantowej, która opisuje nieskończoność.
Wydaje się prawie niemożliwe, aby mieć spójną teorię grawitacji i jednocześnie posługiwać się mechaniką kwantową, która nie zawiera cząstek takich jak aksjon – powiedział Sadif.
Najsilniejszy kandydat na aksjon zwany jest aksjonem QCD – od uznawanej obecnie teorii oddziaływania silnego, chromodynamiki kwantowej. Teoretycznie oddziałuje on z całą materią (choć słabo) poprzez cztery siły natury: grawitację, magnetyzm, oddziaływanie silne, które utrzymuje atomy razem, oraz oddziaływanie słabe, które wyjaśnia rozpad atomów. Jedną z konsekwencji jest to, że w silnym polu magnetycznym aksjon powinien czasami zmieniać się w falę elektromagnetyczną lub foton. Aksjon wyraźnie różni się od innej lekkiej, słabo oddziałującej cząstki, neutrina, które oddziałuje tylko poprzez grawitację i oddziaływanie słabe i całkowicie ignoruje siłę elektromagnetyczną.
Eksperymenty laboratoryjne – takie jak ALPHA Consorcium (Axion Longitudinal Plasma HAloscope), DMradio i ABRACADABRA, w które zaangażowani są naukowcy z UC Berkeley – wykorzystują kompaktowe wnęki, które niczym kamerton rezonują ze słabym polem elektromagnetycznym lub fotonem powstającym, gdy aksjon o małej masie ulega transformacji w obecności silnego pola magnetycznego, i je wzmacniają.
Astrofizycy zaproponowali też poszukiwanie aksjonów wytwarzanych wewnątrz gwiazd neutronowych bezpośrednio po kolapsie jądra supernowej, takiej jak SN 1987A. Do tej pory skupiali się jednak głównie na wykrywaniu promieni gamma pochodzących z powolnej transformacji tych aksjonów w fotony w polach magnetycznych galaktyk. Safid i jego koledzy zdali sobie sprawę, że proces ten nie jest zbyt wydajny w wytwarzaniu promieni gamma – a przynajmniej nie na tyle, aby można go było wykryć z Ziemi. Zamiast tego zbadali produkcję promieni gamma przez aksjony w silnych polach magnetycznych wokół samej gwiazdy, która wygenerowała aksjony. Symulacje za pomocą superkomputerów wykazały, że proces ten bardzo skutecznie wytwarza wybuch promieni gamma, którego siła zależy od masy aksjonu. Wybuch ten powinien wystąpić jednocześnie z wybuchem neutrin z wnętrza gorącej gwiazdy neutronowej. Trwa on jednak zaledwie 10 sekund po uformowaniu się gwiazdy neutronowej (po tym czasie tempo produkcji dramatycznie spada), choć następuje na kilka godzin przed eksplozją zewnętrznych warstw gwiazdy.
To naprawdę skłoniło nas do myślenia o gwiazdach neutronowych jako optymalnych miejscach do poszukiwania aksjonów – powiedział Safdi. Gwiazdy neutronowe mają w tym kontekście wiele zalet. To niezwykle gorące obiekty, mają też bardzo silne pola magnetyczne. Najsilniejsze pola magnetyczne w naszym Wszechświecie występują wokół gwiazd neutronowych, takich jak magnetary – dziesiątki miliardów razy silniejsze niż cokolwiek, co możemy zbudować w laboratorium. Pomaga to przekształcić te aksjony w obserwowalne sygnały.
Dwa lata temu Safdi i jego koledzy ustalili najlepszy górny limit masy aksjonu QCD na około 16 milionów elektronowoltów, czyli około 32 razy mniej niż masa elektronu. Opierało się to na szybkości chłodzenia gwiazd neutronowych, które stygłyby szybciej, gdyby aksjony były produkowane wraz z neutrinami wewnątrz tych gorących, zwartych ciał.
W najnowszym artykule zespół z UC Berkeley nie tylko opisuje produkcję promieni gamma po zapadnięciu się jądra gwiazdy neutronowej, ale także wykorzystuje brak detekcji promieni gamma z supernowej 1987A do nałożenia najlepszych jak dotąd ograniczeń na masę cząstek aksjonopodobnych, które różnią się od aksjonów QCD tym, że nie oddziałują poprzez oddziaływanie silne. Przewidują oni, że detekcja promieniowania gamma pozwoliłaby im zidentyfikować masę aksjonu QCD, jeżeli przekraczałaby ona 50 mikroelektronowoltów (mikro-eV), czyli około 0,0000000001 (1/10 000 000 000) masy elektronu. Pojedyncza detekcja mogłaby zmienić kierunek istniejących eksperymentów w celu potwierdzenia masy aksjonu, powiedział Safdi. Podczas gdy flota dedykowanych teleskopów promieniowania gamma jest najlepszą opcją do wykrywania promieni gamma z pobliskiej supernowej, szczęśliwy traf z Fermim byłby jeszcze lepszy.
Najlepszym scenariuszem wykrycia aksjonów jest zaobserwowanie supernowej przez Fermiego. Szansa na to jest niewielka – powiedział Safdi. Ale gdyby Fermi zobaczył supernową, moglibyśmy zmierzyć jej masę i siłę oddziaływania – i określić wszystko, co musimy wiedzieć o aksjonie. Bylibyśmy niezwykle pewni sygnału, ponieważ nie ma zwykłej materii, która mogłaby stworzyć takie zdarzenie.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- A nearby supernova could end the search for dark matter
- Supernova Axions Convert to Gamma Rays in Magnetic Fields of Progenitor Stars
Źródło: UC Berkeley
Na ilustracji: Wizja artystyczna silnie namagnesowanej gwiazdy neutronowej. Źródło: Casey Reed, dzięki uprzejmości Penn State
