Eine Kollision zweier außergewöhnlich dichter, kollabierter Sterne im fernen Universum liefert potenzielle Hinweise auf das Axion, einen Kandidaten für die Dunkle Materie vor einem halben Jahrhundert vorgeschlagen.
Die stellaren Überreste sind Neutronensterne, die Leichen, die übrig bleiben, nachdem massereiche Sterne in sich selbst zusammengebrochen sind. Diese toten Sterne sind so dicht, dass ihre Elektronen kollabieren auf ihre Protonen – daher „Neutronenstern“. Ihre extreme Dichte macht sie auch zu einem Schauplatz exotischer Physik: Insbesondere sind sie war als Quelle von Axionen vorgeschlagen, ein hypothetisches Teilchen, das zur Dunkle-Materie-Inhalt des Universums beitragen könnte.
Neue Forschung, veröffentlicht Anfang dieses Monats in den Physical Review Letters wird die Art und Weise, wie Axion-ähnliche Teilchen mit Photonen gekoppelt werden könnten, auf der Grundlage von Spektral- und Zeitdaten eingeschränkt aus einer Neutronensternverschmelzung, ungefähr 130 Millionen Lichtjahre entfernt.
Axionartige Teilchen (oder ALPs) sind eine allgemeinere Klasse hypothetischer Kandidaten für die Dunkle Materie als Axionen, und Wissenschaftler glauben, dass ihre Natur so sein könnte Dies wurde durch die Untersuchung von Photonen und die Einschränkung des Massenbereichs der Teilchen aufgedeckt. Die bei der Verschmelzung von Neutronensternen erzeugten Axion-ähnlichen Teilchen entkommen dem zurück in zwei Photonen zerfallen, schrieb das Team in der Veröffentlichung und erzeugten dabei ein für Teleskope erkennbares elektromagnetisches Signal. Die Daten wurden gesammelt aus 2017 Beobachtungen der Kollision, mit dem Fermi-Großflächenteleskop (Fermi-LAT).
„Für eine Neutronensternverschmelzung gibt es eine einzigartige Gelegenheit, bei der man das Photonensignal erhalten könnte“, sagte Bhupal Dev, ein Physiker in Washington University in St. Louis und Hauptautor der Studie, in einem Telefonat mit Gizmodo. „Wir könnten diese Multimessenger-Studie und diese Daten nutzen, um neue physikalische Erkenntnisse zu erforschen, die über das Standardmodell hinausgehen.“
Dunkle Materie scheint 27 % des Universums auszumachen, aber es interagiert so schwach mit gewöhnlicher Materie, dass Wissenschaftler nur können erkennen es durch seine Gravitationswirkung auf was wir dürfen sehen. Beliebte Kandidaten für Dunkle Materie (das heißt, die theoretischen Verantwortlichen für die scheinbare Existenz dunkler Materie sind schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), versteckte (oder dunkle) Teilchen. Photonen, massive kompakte Haloobjekte (MACHOs) und natürlich Axionen.
Benannt nach einer Waschmittelmarke, ist das Axion ein hypothetisches Teilchen, das in den 1970er Jahren als Lösung für die Physik vorgeschlagen wurde starkes CP-ProblemDies beschreibt die Tatsache, dass die Einhaltung der physikalischen Gesetze durch Quarks dieselbe bleibt, selbst wenn die Teilchen durch ihre eigenen ersetzt werden Spiegelbilder.
Neutronensterne gehören zu den dichtesten Objekten im Universum und werden nur von Schwarzen Löchern übertroffen. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern kann Licht aus Neutronensternen entkommen , was sie im elektromagnetischen Spektrum beobachtbar macht.
Dev erklärt, dass Axionen auf verschiedene Weise aus der Verschmelzung von Neutronensternen entstehen könnten, sofern sich Axionen tatsächlich an Photonen koppeln. Durch Photonenkoaleszenz Axionen würden aus Photonen entstehen, die in der äußerst heißen astrophysikalischen Umgebung zusammenkommen und verschmelzen. Axionen könnten auch auf andere Weise entstehen, indem sie durch Primakoff-Prozess, bei dem ein Photon mit einem Elektronenbad interagiert und dabei Axionen erzeugt.
Das Axion ist, wie es vorgeschlagen wird, so klein, dass es sich manchmal eher wie eine Welle als wie ein Teilchen verhält, was bedeutet, dass es aus der Luft flieht relativ leicht zum Ort des Tatorts gelangen. Aber das Proton ist (relativ)massereich, so dass es einen Moment dauert, bis das Teilchen austritt von dieser Brutstätte der Interaktion. Konkret dauert es 1,7 Sekunden: die von den Forschern beobachtete Verzögerung zwischen dem Gravitationswellensignal von eine Neutronensternverschmelzung und das daraus resultierende elektromagnetische Signal.
„Wir bekommen viele Photonen vom Himmel. Woher wissen wir also wirklich, dass dieses Photonensignal vom Axion kommt? „Dev sagte: „Dies kommt von einem Zerfall des Teilchens, im Gegensatz zu astrophysikalischen Prozessen, bei denen die Photonen durch Streuung verschwinden. So ist ein Unterschied im Spektrum. Wir können sowohl die Timing-Informationen als auch die spektralen Merkmale analysieren Wir können diese neuen physikalischen Signale von den standardmäßigen astrophysikalischen Prozessen trennen.“
Auch erdbasierte Experimente arbeiten daran, die potenziellen Massenbereiche des Axions einzugrenzen LUX-Zeplin, XENON-1T, und die ALPS-II-Experiment, die im Mai 2023 ihren Betrieb aufgenommen haben, sind sämtlich auf die Suche nach Axionen tief im Untergrund konzipiert. Aber es gibt es auch andere Projekte, wie ADMX und die Dark Matter Radio Pathfinder, die daran arbeiten,den Massenbereich auf verborgene (oder dunkle) Photonen zu beschränken, eine weitere Klasse von Kandidaten für dunkle Materie. Spätere Generationen der Dunklen Matter Radio wird Axionen jagen.
Die neue Forschung „gibt einige neue Einschränkungen für die axionähnlichen Teilchen, denn wir bislang keine Signale von Axionen sehen konnten Dev sagte: „Es gibt uns auch Hoffnung, dass wir in Zukunft mithilfe dieser astrophysikalischen Beobachtungen mehr Einblicke in Axion-artiges gewinnen könnten.“ Partikel. Und dies wird eine Ergänzung zu den derzeit laufenden Laboruntersuchungen sein.”
Die Jagd nach Axionen ähnelt der Verwendung eines Metalldetektors an einem sehr, sehr großen Strand. In den meisten Fällen sind Physiker und Astronomen entdecken nichts. Aber die Suche nach Axionen und axionähnlichen Teilchen im gesamten Spektrum potenzieller Massen ist letztendlich der beste Weg Spüren Sie sie auf
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