Astrofizycy badają ciemną materię, aby dowiedzieć się z czego jest zbudowana. Jedną z możliwości jest, że ciemna materia składa się z cząstek zwanych aksjonami.
Astrofizycy z uniwersytetów w Amsterdamie i Princeton prowadzą badania nad ciemną materią, które mają na celu odpowiedzieć na pytanie: z czego jest zbudowana? Jedną z możliwych odpowiedzi jest, że ciemna materia może składać się z cząstek zwanych aksjonami. Teraz, ten zespół naukowców wykazał, że jeśli ciemna materia rzeczywiście składa się z aksjonów, może to ujawnić się poprzez subtelne dodatkowe światło pochodzące z pulsujących gwiazd.
Ciemna materia jest jednym z najbardziej poszukiwanych składników naszego Wszechświata. Jest niezwykłe, że ta tajemnicza forma materii, której fizycy i astronomowie nie byli dotąd w stanie wykryć, stanowi ogromną część istniejącej materii. Szacuje się, że co najmniej 85% materii we Wszechświecie jest „ciemna” i obecnie można ją zaobserwować jedynie poprzez jej oddziaływanie grawitacyjne na inne obiekty astronomiczne. Zrozumiałe jest, że naukowcy pragną poznać więcej. Chcą zobaczyć ciemną materię w prawdziwej postaci – lub przynajmniej bezpośrednio wykryć jej obecność, zamiast wnioskować o niej jedynie na podstawie jej efektów grawitacyjnych. Oczywiście, mają także pragnienie zrozumieć, czym dokładnie jest ciemna materia.
Rozwiązanie dwóch problemów
Jedno jest pewne: ciemna materia nie może być takim samym rodzajem materii, z jakiego jesteśmy zbudowani. Gdyby tak było, ciemna materia zachowywałaby się jak zwykła materia – tworzyłaby gwiazdy, świeciłaby i nie byłaby „ciemna”. Naukowcy poszukują zatem czegoś zupełnie nowego – rodzaju cząstek, które dotąd nie zostały wykryte i prawdopodobnie bardzo słabo oddziałują znanymi nam rodzajami cząstek.
W latach 70. wprowadzono hipotetyczny rodzaj cząstek, zwanych aksjonami, aby rozwiązać problem separacji ładunków dodatnich i ujemnych wewnątrz neutronu. Naukowcy odkryli, że obecność tych słabo oddziałujących cząstek może wyjaśnić niewielką separację ładunków w neutronie. Nazwę tej nowej cząstki wymyślił laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek. Nazwa „aksjon” jest podobna do innych nazw cząstek, takich jak proton, neutron, elektron i foton, i została również zainspirowana detergentem o tej samej nazwie. Aksjon powstał jako rozwiązanie konkretnego problemu związanego z budową atomów.
Rzucanie światła na ciemną materię
Na szczęście istnieje nadzieja na rozwiązanie zagadki aksjonów. Jeśli teorie przewidujące istnienie tych cząstek są prawdziwe, istnieje możliwość, że aksjony są produkowane masowo we Wszechświecie. Co więcej, w obecności silnych pól elektromagnetycznych, niektóre aksjony mogą ulec przemianie w światło. Odkrycie światła pochodzącego od aksjonów może być kluczem do wykrycia tajemniczej ciemnej materii.
Aby zweryfikować tę teorię, naukowcy musieli najpierw zastanowić się, gdzie we Wszechświecie występują najpotężniejsze pola elektryczne i magnetyczne. Odpowiedź na to pytanie jest związana z regionami wokół gwiazd neutronowych, które są również nazywane pulsarami. Pulsary są skondensowanymi obiektami o masie zbliżonej do masy naszego Słońca, ale o promieniu około 100 000 razy mniejszym, wynoszącym zaledwie około 10 km. Ze względu na swoje małe rozmiary, pulsary obracają się z ogromną prędkością, emitując jasne, wąskie wiązki promieniowania radiowego wzdłuż osi swojego obrotu. Podobnie jak latarnia morska, promienie pulsara mogą przemierzać przestrzeń kosmiczną, co sprawia, że pulsująca gwiazda jest łatwa do zaobserwowania.
Jednak ogromny moment obrotowy pulsara ma jeszcze większe znaczenie. Powoduje on, że gwiazda neutronowa staje się niezwykle silnym elektromagnesem. To z kolei sugeruje, że pulsary mogą być bardzo wydajnymi fabrykami aksjonów. Przeciętny pulsar byłby w stanie wyprodukować aż 50-cyfrową liczbę aksjonów w ciągu jednej sekundy. Dzięki silnemu polu elektromagnetycznemu wokół pulsara, część tych aksjonów mogłaby przekształcić się w obserwowalne światło.
Symulacja subtelnego blasku
Jak zawsze w nauce, rzeczywiste przeprowadzenie takiej obserwacji nie jest oczywiście łatwe. Światło emitowane przez aksjony, które mogłoby być wykryte w postaci fal radiowych, stanowiłoby jedynie niewielki ułamek całkowitego światła emitowanego przez te jasne kosmiczne latarnie morskie. Aby móc zauważyć różnicę – nie mówiąc już o dokładnym pomiarze tej różnicy i przeliczeniu jej na ilość ciemnej materii – konieczne jest bardzo dokładne poznanie wyglądu pulsara zarówno bez aksjonów, jak i z aksjonami.
Tego właśnie dokonał zespół fizyków i astronomów, którzy opracowali kompleksowe ramy teoretyczne, umożliwiające szczegółowe zrozumienie procesu powstawania aksjonów, ich ucieczki przed przyciąganiem grawitacyjnym gwiazdy neutronowej oraz przekształcania się w niskoenergetyczne promieniowanie radiowe podczas ucieczki.
Wyniki teoretyczne zostały następnie wprowadzone do komputera, gdzie przeprowadzono modelowanie produkcji aksjonów wokół pulsarów za pomocą zaawansowanych numerycznych symulacji plazmy. Te symulacje pierwotnie zostały opracowane w celu zrozumienia fizyki, która kieruje emisją fal radiowych przez pulsary. Po wirtualnym stworzeniu aksjonów, naukowcy symulowali propagację tych cząstek przez pola elektromagnetyczne gwiazdy neutronowej. Dzięki temu byli w stanie ilościowo zrozumieć proces produkcji fal radiowych i modelować, w jaki sposób ten proces generuje dodatkowy sygnał radiowy, oprócz wewnętrznej emisji generowanej przez sam pulsar.
Testowanie modeli aksonowych
Wyniki teorii i symulacji zostały następnie poddane pierwszemu testowi obserwacyjnemu. Naukowcy porównali obserwowane fale radiowe z 27 pobliskich pulsarów z modelami, aby sprawdzić, czy istnieje jakikolwiek zmierzony nadmiar, który może stanowić dowód na istnienie aksjonów. Niestety, odpowiedź brzmiała „nie” – lub może bardziej optymistycznie: „jeszcze nie”. Aksjony nie są od razu zauważalne, ale można się było tego spodziewać. Gdyby ciemna materia była tak łatwo dostrzegalna, już dawno zostałaby zaobserwowana.
Nadzieja na wykrycie aksjonów teraz kierowana jest w stronę przyszłych obserwacji. Tymczasem brak obserwacji sygnałów radiowych pochodzących od aksjonów stanowi sam w sobie interesujący wynik. Pierwsze porównanie między symulacjami a rzeczywistymi pulsarami wprowadziło najbardziej restrykcyjne ograniczenie na interakcję aksjonów ze światłem dotychczas osiągnięte.
Ostatecznym celem jest oczywiście osiągnięcie czegoś więcej niż tylko ustalanie ograniczeń. Chodzi o to, aby udowodnić istnienie aksjonów lub mieć pewność, że jest to bardzo mało prawdopodobne, by aksjony były składnikami ciemnej materii. Nowe wyniki stanowią jedynie pierwszy krok w tym kierunku; są one początkiem czegoś, co może stać się zupełnie nowym i wysoce interdyscyplinarnym obszarem badań, mającym potencjał znacznie przyspieszyć poszukiwania związane z aksjonami.
Wyniki badań zostały opublikowane 15 września 2023 roku w Physical Review Letters.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło: University of Amsterdam
Na ilustracji: Mgławica Krab – pozostałość po wybuchu supernowej, w której centrum znajduje się pulsar. Pulsar sprawia, że zwykła materia w postaci gazu w mgławicy rozświetla się. Jak wykazali naukowcy, może on robić to samo z ciemną materią w postaci aksjonów, prowadząc do subtelnej dodatkowej poświaty, którą można zmierzyć. Źródło: NASA/CXC/ASU/J. Hester i inni
