Sökandet efter den mystiska axionen som kan förklara mörk materia pågår för fullt.

 

Bild Det stegliknande mönstret som avslöjas i de data som forskarna observerade och som potentiellt visar omvandlingen av gammastrålar till axioner (hypotetiska elementarpartiklar så kallade bosoner). Illustration är från forskningsrapporten i nature se nedan.

Axionen som omtalas är en hypotetisk elementarpartikel som kan vara nyckeln till att förstå mörk materia. Materien som tros ta upp cirka 80 procent av materia i universum.

Ingen har ännu bevisat existensen av axionen. Men med ett smart trick med hjälp av avlägsna galaxers strålning kan fysiker från Köpenhamns universitet komma närmare än någonsin tidigare.

I stället för att använda en partikelaccelerator på jorden, som den vid CERN, vände sig forskarna mot kosmos och använde den som en slags gigantisk partikelaccelerator. Specifikt sökte de efter elektromagnetisk strålning som  kommer från kärnorna (där det svarta hålet finns) av avlägsna och mycket ljusstarka galaxer.

De observerade strålningen när den passerade genom  enorma magnetfält i galaxhopar, där en del av denna strålning enligt teorin skulle kunna omvandlas till axioner. Denna omvandling skulle då lämna efter sig små, slumpmässiga fluktuationer i insamlad data. Men varje signal om den uppkommer och hittas är så svag att den försvinner i universums bakgrundsbrus.

Därför introducerade  forskarna ett nytt koncept. Istället observerade de totalt 32 supermassiva svarta hål placerade bakom galaxhopar (från bakomliggande galaxer) och kombinerade sedan insamlad data från sina observationer.

När forskarna därefter analyserade datan blev de överraskade över att upptäcka ett mönster som liknade signaturen hos den svårfångade och sökta axionpartikeln som man teoretiskt  tror finns.

– Normalt sett är signalen från  partiklar som dessa oförutsägbara och uppträder som slumpmässigt brus. Men vi insåg att genom att kombinera data från många olika källor hade vi omvandlat allt brus till ett tydligt, igenkännbart mönster, förklarar Oleg Ruchayskiy, docent vid Niels Bohr-institutet vid Köpenhamns universitet och huvudförfattare till artikeln i Nature Astronomy där sökandet efter  axionen beskrivs. Han tillägger: Det visar sig som ett unikt stegliknande mönster som visar hur den här konverteringen skulle kunna se ut. Vi ser det ännu bara som en antydan till en signal i vår data, men det är  väldigt lockande och spännande. Man skulle kunna kalla det en kosmisk viskning, nu tillräckligt hög för att höra.

"Vi är så glada, för det är inte ett engångsframsteg. Denna metod gör det möjligt för oss att gå bortom tidigare experimentella gränser och har öppnat en ny väg för att studera dessa svårfångade partiklar. Tekniken kan upprepas av oss, av andra grupper, över ett brett spektrum av massor och energier. På så sätt kan vi lägga fler bitar till pusslet för att förklara mörk materia, beskriver Postdoc Lidiia Zadorozhna Niels Bohr Institute."

Läs studien "Constraints on axion-like particles from active galactic nuclei seen through galaxy clusters" (Begränsningar för axionliknande partiklar från aktiva galaxkärnor sedda genom galaxhopar).Länk här från tidskriften  Nature. 

Neutronstjärnor kan vara höljda i moln av "axioner

 

Bild wikipedia modellen visar uppbyggnaden av en neutronstjärna.

En neutronstjärna är ett av flera möjliga slut för en stjärna. När en stjärna i slutet av sin existens stöter bort sitt yttre lager inträffar en gravitationskollaps och stjärnans kvarvarande inre delar imploderar. Om stjärnan är så stor att den kvarvarande massan motsvarar 1,4–3 solmassor övergår den i en supernova. Återstoden blir en neutronstjärna som består av tätt packade neutroner och övrigt material av utspridda rester från supernovan.

Axionen är en hypotetisk elementarpartikel med spinn noll, det vill säga den är en boson. För mer om  elementarpatiklar se här 

Ett forskarlag bestående av fysiker från universiteten i Amsterdam, Princeton och Oxford har visat att extremt lätta partiklar, så kallade axioner, kan finnas i stora moln runt neutronstjärnor.  Axioner är också kända som en ledande kandidat för att förklara vad mörk materia består av ett av de största mysterierna inom fysiken. Mycket tyder på att cirka 85 % av materian i vårt universum är "mörkt", vilket helt enkelt betyder att det inte består av någon typ av materia som vi känner till och för närvarande kan observera.

Istället kan man bara indirekt dra slutsatsen att det finns mörk materia genom att något okänt påverkar gravitationen på materia (min misstanke är att det istället är något i gravitation vi inte förstår –kanske strängteorin ska studeras mer).

När axioner utsätts för elektriska och magnetiska fält förväntas de kunna omvandlas till fotoner – ljuspartiklar – och vice versa. Ljus är något vi vet hur man observerar, men som nämnts bör omvandlingsstyrkan vara mycket liten och därför är också mängden ljus som axioner i allmänhet producerar låg. Det vill säga om man inte tar hänsyn till en miljö som innehåller en väldigt massiv mängd axioner och då helst i mycket starka elektromagnetiska fält.

Detta fick forskarna att börja fundera på neutronstjärnor, de tätast kända objekten i  universum. Dessa objekt har massor som liknar solens men har komprimerats till stjärnor som är 12 till 15 kilometer stora. Sådana extrema densiteter skapar en extrem miljö med enorma magnetfält, miljarder gånger starkare än något vi har på jorden.

Ny forskning har visat att om axioner existerar, gör dessa magnetfält i neutronstjärnor det möjligt att massproducera axioner nära  ytan (om dessa teoretiska  axioner existerar i verkligheten). Även om inga axionmoln hittills har observerats vet vi med de nya studieresultaten mycket exakt vad vi ska leta efter och var vilket gör en grundlig sökning efter axioner  mer möjlig att genomförbara.

Även om huvudpunkten på sökandet efter axionmoln", är huvudintresset öppnar arbetet också upp flera nya teoretiska vägar att utforska beskriver forskarna vilka beskriver sitt arbete som. ”Axion Clouds around Neutron Stars, Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu”, författare Christoph Weniger, Samuel J. Witte, Physical Review X 14, 041015 (2024).