Künstlerische Darstellung eines Neutronensterns vom Magnetartyp. (ESO/L. Calçada) Der Beweis für ein seit langem gesuchtes hypothetisches Teilchen könnte die ganze Zeit über im klaren (Röntgen-)Sichtfeld verborgen gewesen sein.
Die Röntgenemission, die von einer Ansammlung von Neutronensternen ausgeht, die als die Magnificent Seven bekannt sind, ist so stark, dass sie von Axionen stammen könnte, einer seit langem vorhergesagten Art von Teilchen, die in den dichten Kernen dieser toten Objekte geschmiedet werden, wie Wissenschaftler nachgewiesen haben.
Wenn ihre Ergebnisse bestätigt werden, könnte diese Entdeckung dazu beitragen, einige der Geheimnisse des physischen Universums zu entschlüsseln – einschließlich der Natur des Mysteriösen Dunkle Materie das hält alles zusammen.
„Die Suche nach Axionen war sowohl in der Theorie als auch in Experimenten eine der größten Anstrengungen in der Hochenergieteilchenphysik.“ sagte der Astronom Raymond Co der University of Minnesota.
„Wir glauben, dass Axionen existieren könnten, aber wir haben sie noch nicht entdeckt.“ Axionen kann man sich als Geisterteilchen vorstellen. „Sie können überall im Universum sein, aber sie interagieren nicht stark mit uns, daher haben wir noch keine Beobachtungen von ihnen.“
Axionen sind hypothetische Teilchen mit extrem geringer Masse, die erstmals in den 1970er Jahren theoretisiert wurden, um die Frage zu klären, warum starke atomare Kräfte einem sogenannten „Axion“ folgen Ladungsparitätssymmetrie , während die meisten Modelle sagen, dass sie das nicht brauchen.
Axionen werden von vielen Modellen vorhergesagt Stringtheorie – ein Lösungsvorschlag für die Spannung zwischen generelle Relativität und Quantenmechanik – und Axionen einer bestimmten Masse sind ebenfalls ein starker Kandidat für Dunkle Materie . Wissenschaftler haben also eine Reihe wirklich guter Gründe, nach ihnen zu suchen.
Wenn sie existieren, wird erwartet, dass Axionen im Inneren von Sternen erzeugt werden. Diese stellaren Axionen sind nicht dasselbe wie Axionen aus dunkler Materie, aber ihre Existenz würde die Existenz anderer Arten von Axionen implizieren.
Eine Möglichkeit, nach Axionen zu suchen, besteht darin, nach überschüssiger Strahlung zu suchen. Es wird erwartet, dass Axionen in der Gegenwart eines Magnetfelds in Photonenpaare zerfallen. Wenn also in einer Region, in der dieser Zerfall erwartet wird, mehr elektromagnetische Strahlung nachgewiesen wird, als vorhanden sein sollte, könnte dies ein Hinweis auf Axionen sein.
In diesem Fall ist überschüssige harte Röntgenstrahlung genau das, was Astronomen bei der Betrachtung der Magnificent Seven festgestellt haben.
Diese Neutronensterne – die kollabierten Kerne toter massereicher Sterne, die in einer Supernova starben – sind nicht in einer Gruppe zusammengefasst, sondern weisen eine Reihe gemeinsamer Merkmale auf. Sie alle sind isolierte Neutronensterne etwa mittleren Alters, einige hunderttausend Jahre seit dem Sterntod.
Sie alle kühlen und emittieren dabei energiearme (weiche) Röntgenstrahlung. Sie alle haben starke Magnetfelder, Billionen Mal stärker als die der Erde. stark genug, um den Axionzerfall auszulösen . Und sie sind alle relativ nahe, weniger als 1.500 Lichtjahre von der Erde entfernt.
Dies macht sie zu einem hervorragenden Labor für die Suche nach Axionen, und als ein Forscherteam – unter der Leitung des leitenden Autors und Physikers Benjamin Safdi vom Lawrence Berkeley National Laboratory – die Magnificent Seven mit mehreren Teleskopen untersuchte, identifizierten sie hochenergetisches (hartes) X -Strahlenemission ist für Neutronensterne dieses Typs nicht zu erwarten.
Im Weltraum gibt es jedoch viele Prozesse, die Strahlung erzeugen können, daher musste das Team andere potenzielle Emissionsquellen sorgfältig untersuchen. Pulsare strahlen beispielsweise harte Röntgenstrahlung aus; Aber die anderen Arten von Strahlung, die von Pulsaren ausgesendet werden, wie zum Beispiel Radiowellen, sind in den Magnificent Seven nicht vorhanden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass ungelöste Quellen in der Nähe der Neutronensterne die harte Röntgenemission erzeugen könnten. Die vom Team verwendeten Datensätze von zwei verschiedenen Weltraum-Röntgenobservatorien – XMM-Newton und Chandra – deuteten jedoch darauf hin, dass die Emission von Neutronensternen stammt. Das Team stellte auch fest, dass das Signal wahrscheinlich nicht das Ergebnis einer Anhäufung weicher Röntgenemissionen ist.
„Wir sind ziemlich zuversichtlich, dass dieser Überschuss existiert, und sehr zuversichtlich, dass es unter diesem Überschuss etwas Neues gibt.“ Sagte Safdi . „Wenn wir hundertprozentig sicher wären, dass es sich bei dem, was wir sehen, um ein neues Teilchen handelt, wäre das riesig.“ Das wäre revolutionär in der Physik.“
Das heißt nicht, dass der Überschuss ein neues Teilchen ist. Es könnte sich um einen bisher unbekannten astrophysikalischen Vorgang handeln. Oder es könnte etwas so Einfaches sein wie ein Artefakt aus den Teleskopen oder der Datenverarbeitung.
„Wir behaupten nicht, dass wir das Axion bereits entdeckt haben, aber wir sagen, dass die zusätzlichen Röntgenphotonen durch Axionen erklärt werden können.“ Co sagte . „Es ist eine aufregende Entdeckung des Überschusses an Röntgenphotonen und eine aufregende Möglichkeit, die bereits mit unserer Interpretation von Axionen übereinstimmt.“
Im nächsten Schritt wird versucht, den Befund zu überprüfen. Wenn der Überschuss durch Axionen erzeugt wird, sollte der Großteil der Strahlung bei höheren Energien emittiert werden, als XMM-Newton und Chandra nachweisen können. Das Team hofft, ein neueres Teleskop, das NuSTAR der NASA, nutzen zu können, um die Magnificent Seven in einem größeren Wellenlängenbereich zu beobachten.
Magnetisierte Weiße Zwerge könnten ein weiterer Ort für die Suche nach Axionenemissionen sein. Wie die Magnificent Seven verfügen diese Objekte über starke Magnetfelder und es ist nicht zu erwarten, dass sie harte Röntgenstrahlung erzeugen.
„Das fängt an, ziemlich überzeugend zu sein, dass es sich um etwas handelt, das über das hinausgeht Standardmodell „Wenn wir auch dort einen Röntgenüberschuss sehen“, Sagte Safdi .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .