Polowanie na aksjony w odległej galaktyce

Astronomowie obserwujący odległą galaktykę radykalnie zmniejszyli zakres możliwych właściwości długo poszukiwanej, ale nigdy dotąd niewykrytej cząsteczki subatomowej.

Międzynarodowy zespół naukowców wykorzystał obserwacje galaktyki NGC 1275, aby zrozumieć możliwe właściwości (i samą kwestię istnienia) różnego rodzaju egzotycznych cząstek. Nowo zebrane dane dają w tym przypadku lepsze ograniczenia teoretyczne niż nawet najnowocześniejsze eksperymenty prowadzone na Ziemi!

Mowa tu m.in. o aksjonach. Aksjony oraz cząstki do nich podobne (axion-like particles – ALP) to hipotetyczne bezładunkowe cząsteczki, które bardzo rzadko wchodzą w interakcje ze zwykłą materią. Choć naukowcy niewiele o nich wiedzą, wiele teorii sugeruje, że gdy przemieszczają się one przez pole magnetyczne, mogą w nim oscylować – czyli zmieniać swą naturę, stając się naprzemiennie aksjonem/cząsteczką ALP oraz fotonem.

W nowych badaniach opublikowanych z początkiem roku w „The Astrophysical Journal” zespół fizyków i astronomów wykorzystał te przewidywania teoretyczne do poszukiwań cząstek typu ALP, hipotetycznie docierających do nas z kierunku na galaktykę NGC 1275. Galaktyka ta znajduje się 237 milionów lat świetlnych stąd i leży w pobliżu centrum gromady galaktyk w Perseuszu.

Chociaż pierwotnym powodem skierowania teleskopu rentgenowskiego Chandra na NGC 1275 była chęć poznania właściwości jej centralnej, supermasywnej galaktycznej czarnej dziury, naukowcy wkrótce zaczęli przyglądać się bliżej raczej ogromnym ilościom gorącego, namagnesowanego gazu wirującego pomiędzy poszczególnymi galaktykami w tej gromadzie. Sam fakt, że jakakolwiek pochodząca stamtąd cząsteczka w drodze ku Ziemi musiała wcześniej podróżować przez te ogromne pola magnetyczne, czyni je idealnymi miejscami do poszukiwań subtelnych oznak zmieniania „tożsamości”, czyli oscylowania cząsteczek aksjonopodobnych (ALP) i fotonów.

Uzyskane przez nas spektrum mocy galaktyki było tak nudne, że na samej jego bazie nie moglibyśmy stworzyć nowej gałęzi wiedzy – taka astrofizyka byłaby bardzo ograniczona – śmieje się Christopher Reynolds (Uniwersytet w Cambridge), który prowadził badania. Ale potem zdaliśmy sobie sprawę, że to zarazem fantastyczne pole do badań hipotetycznych cząstek ALP – dodaje.

Załóżmy, że fotony pochodzące z centralnej czarnej dziury NGC 1275 tymczasowo zamieniają się w cząstki ALP podczas przechodzenia przez namagnesowany gaz gromady. Wówczas sam ten gaz w pewnym sensie pochłania światło w sposób złożony i zależny od energii tych cząstek. Zatem jeśli istnieją cząstki typu ALP, widmo światła w centrum NGC 1275 pokazałoby charakterystyczny zestaw anomalnych spadków przy różnych poziomach energii promieniowania rentgenowskiego.

Teleskop kosmiczny Chandra nie został zaprojektowany do wpatrywania się bezpośrednio w aż tak jasne rentgenowsko źródła jak centrum galaktyki NGC 1275. Kamera CCD Chandry, zbudowana pierwotnie z myślą o detekcji dużo słabszych źródeł tego promieniowania, rejestruje fale w wysokich energiach przez zaledwie kilka sekund ekspozycji, oczekując co najwyżej jednego fotonu na piksel. Kiedy więc astrofizycy w przeszłości kierowali ten teleskop w kierunku centrów galaktyk aktywnych takich jak NGC 1275, uzyskiwane oryginalne widma energii były zamazywane przez istny stos fotonów. To efekt przypominający przesycenie obrazu światłem w zwykłym aparacie fotograficznym.

Aby jakoś obejść ten problem, zespół przerzucił jedną z macierzy siatek dyfrakcyjnych teleskopu, zazwyczaj używanych do dostarczania szczegółowych informacji o energii promieniowania rentgenowskiego fotonów, na tzw. ścieżkę światła. Takie przełączenie rozmyło odbierane z centrum galaktyki promieniowanie rentgenowskie, dzięki czemu zespół mógł już wydobyć z tych danych widmo w wysokiej rozdzielczości. Jedynym minusem było to, że układ działał trochę za dobrze, blokując prawie całe światło pochodzące z centrum galaktyki.

Ostatecznie, po wielu próbach, nie znaleziono dowodów na istnienie cząstek typu ALP w kierunku na badaną galaktykę. Ale naukowcy nie byli rozczarowani, ponieważ taki „zerowy” wynik jest także bardzo cenny w nauce. Można było go natychmiast wykorzystać do bezpośredniego ustalenia ściślejszych ograniczeń, jakie teoria i nowe obserwacje (czy też raczej w tym przypadku ich brak) nakładają na kluczowe z punktu widzenia fizyki właściwości tych hipotetycznych cząstek – w tym siłę sprzężenia, która może występować między fotonami i ewentualnymi cząstkami ALP.

Wyniki badań zmniejszają zakres możliwych sił sprzężenia dla niskocząsteczkowych ALP znacznie bardziej precyzyjnie niż naziemne eksperymenty najnowszej generacji takie jak IAXO i ALPS-II. Być może, co zdaje się równie ważne, naukowcy udowodnili właśnie, że stosowane technika i metodologia mogą być wykorzystywane do dalszego polowania na cząsteczki aksjonopodobne.

Na ilustracji: Fotony rentgenowskie przechodzą przez gorący gaz. Silne pole magnetyczne obecne w tym gazie jest oznaczone szarymi liniami. Jeśli istnieją ALP o niskiej masie, fotony rentgenowskie o wyższych energiach (niebieskie linie) mogłyby przekształcać się w cząstki podobne do aksjonów (żółte kółka) i z powrotem, podczas gdy promieniowanie rentgenowskie o niskich energiach (czerwone linie) mogłoby przekształcić się w cząsteczki ALP, ale już nie w fotony. W rezultacie zmieniłoby się spektrum fotonów promieniowania rentgenowskiego emitowanego z obszaru supermasywnej czarnej dziury w galaktyce. Jednak astronomowie nie zarejestrowali tego efektu.
Źródło: A. Smith / University of Cambridge

Cząsteczki ALP, choć zgodnie z teorią powinny zachowywać się podobnie jak aksjony, nie do końca są aksjonami. Z kolei aksjony to cząsteczki będące dość silnymi kandydatami na składniki od lat poszukiwanej przez naukę ciemnej materii. I choć obecne badania i hipotetyczne wciąż cząsteczki aksjonopodobne jak na razie nie mogą udzielić nam odpowiedzi na ważne pytania o ciemną materię i energię, kwestia ich występowania jest wciąż nie mniej fascynująca. W szczególność cały szereg bardziej egzotycznych „teorii wszystkiego”, takich jak słynna teoria strun – teorii wykraczających poza standardowy model fizyki cząstek elementarnych – zakłada istnienie cząstek ALP o niskiej masie. Zatem odkrycie tych cząstek mogłoby wynieść fizykę cząstek na nowy etap zrozumienia.

Znalezienie cząstek takich jak te byłoby rewolucyjne i przyniosłoby wiele spekulacji na temat ich pochodzenia – podsumowuje fizyk Maurizio Giannotti, który nie był zaangażowany w badania. To bardzo dobry wynik, który pokazuje znaczenie obserwacji astrofizycznych w kontekście zrozumienia właściwości cząstek elementarnych i testowania nowych modeli w fizyce cząstek.

Czytaj więcej:

Źródło: Sky & Telescope

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na zdjęciu: Zdjęcie rentgenowskie pokazuje bąbelki gorącego gazu obecne w gromadzie galaktyk Perseusza. W sercu galaktyki, która leży w centrum tej gromady, znajduje się czarna dziura emitująca fotony rentgenowskie. To właśnie te fotony, przechodzące przez otaczającą je namagnesowaną plazmę, badali astronomowie w poszukiwaniu cząstek podobnych do aksjonów. Źródło: Publikacja zespołu/NASA/CXC/Univ. of Cambridge