Zespół fizyków z uniwersytetów w Amsterdamie, Princeton i Oksfordzie wykazał, że w dużych obłokach wokół gwiazd neutronowych mogą występować niezwykle lekkie cząstki zwane aksjonami. Osie te mogą stanowić wyjaśnienie nieuchwytnej ciemnej materii, której szukają kosmolodzy – a co więcej, ich obserwacja może nie być zbyt trudna.
Nowe badanie opublikowano na początku tygodnia w czasopiśmie Physical Review X. Artykuł jest kontynuacją poprzedniej pracy, w której autorzy badali także aksjony i gwiazdy neutronowe, ale z zupełnie innego punktu widzenia. Podczas gdy w swojej poprzedniej pracy badali aksjony uciekające z gwiazdy neutronowej, teraz badacze skupiają się na tych, które pozostały – osiach, które są przechwytywane przez grawitację gwiazdy. Z biegiem czasu cząstki te powinny stopniowo tworzyć mglistą chmurę wokół gwiazdy neutronowej i okazuje się, że takie chmury aksjonowe mogą być obserwowalne przez nasze teleskopy. Ale dlaczego astronomowie i fizycy mieliby być tak zainteresowani mglistymi chmurami wokół odległych gwiazd?
Aksjony: od mydła do ciemnej materii
Protony, neutrony, elektrony, fotony – większość z nas zna nazwy przynajmniej niektórych z tych maleńkich cząstek. Aksjon jest mniej znany i nie bez powodu: w tej chwili jest to jedynie hipotetyczny typ cząstki – takiej, której nikt jeszcze nie odkrył. Nazwany na cześć marki mydła, jego istnienie po raz pierwszy postulowano w latach 70. XX wieku, aby rozwiązać problem – stąd odniesienie do mydła – w naszym rozumieniu jednej z cząstek, które mogliśmy bardzo dobrze obserwować: neutronu. Jednakże, choć teoretycznie bardzo ładne, gdyby te aksiony istniały, byłyby niezwykle lekkie, co czyniłoby je bardzo trudnymi do wykrycia w eksperymentach i obserwacjach.
Dziś aksjony są również znane jako czołowy kandydat do wyjaśnienia ciemnej materii, jednej z największych tajemnic współczesnej fizyki. Wiele różnych dowodów sugeruje, że około 85% materii naszego Wszechświata jest „ciemna”, co oznacza po prostu, że nie składa się ona z żadnego rodzaju materii, którą znamy i którą możemy obecnie obserwować. Zamiast tego o istnieniu ciemnej materii wnioskuje się jedynie pośrednio na podstawie wpływu grawitacyjnego, jaki wywiera ona na materię widzialną. Na szczęście nie oznacza to automatycznie, że ciemna materia w ogóle nie wchodzi w żadne inne interakcje z materią widzialną, ale jeśli takie interakcje istnieją, ich siła jest z konieczności niewielka. Jak sama nazwa wskazuje, każdy realny kandydat na ciemną materię jest zatem niezwykle trudny do bezpośredniej obserwacji.
Podsumowując, fizycy zdali sobie sprawę, że aksjon może być dokładnie tym, czego szukają, aby rozwiązać problem ciemnej materii. Cząstka, której jeszcze nie zaobserwowano, która byłaby niezwykle lekka i miałaby bardzo słabe interakcje z innymi cząstkami… czy aksony mogą być przynajmniej częścią wyjaśnienia ciemnej materii?
Gwiazdy neutronowe jako szkła powiększające
Pomysł aksjonu jako cząstki ciemnej materii jest fajny, ale w fizyce pomysł jest naprawdę fajny tylko wtedy, gdy ma zauważalne konsekwencje. Czy mimo wszystko istniałby sposób na obserwację osi, pięćdziesiąt lat po tym, jak po raz pierwszy zaproponowano ich możliwe istnienie?
Oczekuje się, że aksjony wystawione na działanie pól elektrycznych i magnetycznych będą w stanie przekształcić się w fotony – cząstki światła – i odwrotnie. Światło to coś, co potrafimy obserwować, ale jak już wspomniano, odpowiadająca mu siła interakcji powinna być bardzo mała, podobnie jak ilość światła wytwarzanego na ogół przez aksony. To znaczy, chyba że weźmie się pod uwagę środowisko zawierające naprawdę ogromną liczbę aksjonów, najlepiej w bardzo silnych polach elektromagnetycznych.
To skłoniło badaczy do rozważenia gwiazd neutronowych, najgęstszych znanych gwiazd w naszym Wszechświecie. Obiekty te mają masy podobne do naszego Słońca, ale są skompresowane w gwiazdy o rozmiarach od 12 do 15 kilometrów. Tak ekstremalne gęstości tworzą równie ekstremalne środowisko, które w szczególności zawiera także ogromne pola magnetyczne, miliardy razy silniejsze niż jakiekolwiek, które znajdujemy na Ziemi. Niedawne badania wykazały, że jeśli aksje istnieją, to te pola magnetyczne pozwalają gwiazdom neutronowym na masową produkcję tych cząstek w pobliżu ich powierzchni.
Ci, którzy pozostają w tyle
W swojej poprzedniej pracy autorzy skupili się na aksjonach, które po wytworzeniu uciekły z gwiazdy — obliczyli ilość tych osi, jakie zostaną wytworzone, jakie trajektorie będą podążać oraz w jaki sposób ich konwersja w światło może prowadzić do słabego, ale potencjalnie obserwowalny sygnał. Tym razem biorą pod uwagę aksjony, którym nie udaje się uciec – takie, które pomimo swojej niewielkiej masy zostają złapane przez ogromną grawitację gwiazdy neutronowej.
Z powodu bardzo słabych oddziaływań aksjonów cząstki te pozostaną w pobliżu gwiazdy neutronowej i w skali czasu sięgającej milionów lat będą gromadzić się wokół gwiazdy neutronowej. Może to skutkować powstaniem bardzo gęstych obłoków aksjonów wokół gwiazd neutronowych, co zapewnia nowe, niesamowite możliwości badań nad aksjonami. W swoim artykule naukowcy badają powstawanie, a także właściwości i dalszą ewolucję tych chmur aksjonów, wskazując, że powinny one, a w wielu przypadkach muszą istnieć. W rzeczywistości autorzy argumentują, że jeśli aksjony istnieją, chmury aksjonów powinny być ogólne (w przypadku szerokiego zakresu właściwości aksjonów powinny tworzyć się wokół większości, a może nawet wszystkich gwiazd neutronowych), ogólnie powinny być bardzo gęste (tworząc gęstość możliwie dwadzieścia rzędów wielkości większe niż lokalne gęstości ciemnej materii) i z tego powodu powinny prowadzić do potężnych sygnatur obserwacyjnych. Te ostatnie potencjalnie występują w wielu typach, z czego autorzy omawiają dwa: ciągły sygnał emitowany przez większą część życia gwiazdy neutronowej, ale także jednorazowy rozbłysk światła pod koniec życia gwiazdy neutronowej, kiedy przestaje ona wytwarzać jego promieniowanie elektromagnetyczne. Obie te sygnatury można zaobserwować i wykorzystać do badania interakcji między osiami i fotonami poza obecnymi ograniczeniami, nawet przy użyciu istniejących radioteleskopów.
Co dalej?
Chociaż jak dotąd nie zaobserwowano żadnych chmur aksjonów, dzięki nowym wynikom wiemy bardzo dokładnie, czego szukać, co znacznie ułatwia dokładne wyszukiwanie aksjonów. Chociaż głównym punktem na liście zadań do wykonania jest zatem „poszukiwanie chmur aksjonów”, praca otwiera także kilka nowych teoretycznych ścieżek do zbadania.
Po pierwsze, jeden z autorów jest już zaangażowany w dalsze prace, w ramach których bada, w jaki sposób chmury aksjonów mogą zmieniać dynamikę samych gwiazd neutronowych. Innym ważnym przyszłym kierunkiem badań jest modelowanie numeryczne chmur aksjonów: niniejszy artykuł pokazuje ogromny potencjał odkrywczy, ale potrzeba więcej modelowania numerycznego, aby jeszcze dokładniej wiedzieć, czego szukać i gdzie. Wreszcie, wszystkie obecne wyniki dotyczą pojedynczych gwiazd neutronowych, ale wiele z tych gwiazd pojawia się jako składniki układów podwójnych – czasami razem z inną gwiazdą neutronową, czasami razem z czarną dziurą. Zrozumienie fizyki chmur aksjonowych w takich układach i potencjalne zrozumienie ich sygnałów obserwacyjnych byłoby bardzo cenne.
Zatem niniejsza praca stanowi ważny krok w nowym, ekscytującym kierunku badań. Pełne zrozumienie chmur aksjonowych będzie wymagało uzupełniających wysiłków wielu dziedzin nauki, w tym (astro)fizyki cząstek, fizyki plazmy i radioastronomii obserwacyjnej. Praca ta otwiera tę nową, interdyscyplinarną dziedzinę z wieloma możliwościami dla przyszłych badań.