Chandra data tester teori om alt

En af fysikkens største ideer er muligheden for, at alle kendte kræfter, partikler, og interaktioner kan forbindes i én ramme. Strengteori er uden tvivl det mest kendte forslag til en "teori om alt", der ville binde sammen vores forståelse af det fysiske univers.

På trods af at have mange forskellige versioner af strengteori cirkuleret i hele fysiksamfundet i årtier, der har været meget få eksperimentelle tests. Astronomer, der bruger NASAs Chandra X-ray Observatory, imidlertid, har nu taget et væsentligt skridt fremad på dette område.

Ved at søge gennem galaksehobe, de største strukturer i universet holdt sammen af ​​tyngdekraften, forskere var i stand til at jage efter en specifik partikel, som mange modeller for strengteori forudsiger skulle eksistere. Mens den resulterende ikke-detektion ikke udelukker strengteori helt, det giver et slag for visse modeller inden for den familie af ideer.

"Indtil for nylig havde jeg ingen idé om, hvor meget røntgenastronomer bringer til bordet, når det kommer til strengteori, men vi kunne spille en stor rolle, " sagde Christopher Reynolds fra University of Cambridge i Det Forenede Kongerige, der ledede undersøgelsen. "Hvis disse partikler i sidste ende bliver opdaget, ville det ændre fysikken for altid."

Den partikel, som Reynolds og hans kolleger ledte efter, kaldes en "axion". Disse endnu uopdagede partikler burde have ekstraordinært lave masser. Forskere kender ikke det præcise masseområde, men mange teorier har aksionsmasser, der spænder fra omkring en milliontedel af en elektrons masse ned til nul masse. Nogle forskere mener, at aksioner kan forklare mysteriet med mørkt stof, som står for langt størstedelen af ​​stof i universet.

En usædvanlig egenskab ved disse partikler med ultralav masse ville være, at de nogle gange kan konvertere til fotoner (dvs. lyspakker), når de passerer gennem magnetiske felter. Det modsatte kan også være tilfældet:fotoner kan også omdannes til aksioner under visse betingelser. Hvor ofte dette skifte sker, afhænger af, hvor let de foretager denne konvertering, med andre ord, på deres "konvertibilitet".

Nogle videnskabsmænd har foreslået eksistensen af ​​en bredere klasse af partikler med ultra-lav masse med egenskaber, der ligner aksioner. Axioner ville have en enkelt konvertibilitetsværdi ved hver masse, men "axion-lignende partikler" ville have en række konvertibilitet ved samme masse.

"Selvom det kan lyde som et langskud at lede efter små partikler som aksioner i gigantiske strukturer som galaksehobe, de er faktisk gode steder at se, " sagde medforfatter David Marsh fra Stockholm Universitet i Sverige. "Galaksehobe indeholder magnetiske felter over gigantiske afstande, og de indeholder også ofte lyse røntgenkilder. Tilsammen øger disse egenskaber chancerne for, at omdannelse af axion-lignende partikler ville være påviselig."

For at se efter tegn på omdannelse af axion-lignende partikler, holdet af astronomer undersøgte over fem dages Chandra-observationer af røntgenstråler fra materiale, der faldt mod det supermassive sorte hul i midten af ​​Perseus-galaksehoben. De studerede Chandra-spektret, eller mængden af ​​røntgenstråling observeret ved forskellige energier, af denne kilde. Den lange observation og den lyse røntgenkilde gav et spektrum med tilstrækkelig følsomhed til at have vist forvrængninger, som forskerne forventede, hvis axionlignende partikler var til stede.

Manglen på detektion af sådanne forvrængninger gjorde det muligt for forskerne at udelukke tilstedeværelsen af ​​de fleste typer aksionlignende partikler i det masseområde, deres observationer var følsomme over for, under omkring en milliontedel af en milliardtedel af en elektrons masse.

"Vores forskning udelukker ikke eksistensen af ​​disse partikler, men det hjælper bestemt ikke deres sag, " sagde medforfatter Helen Russell fra University of Nottingham i Storbritannien. "Disse begrænsninger graver ind i rækken af ​​egenskaber foreslået af strengteori, og kan hjælpe strengteoretikere med at luge deres teorier."

Det seneste resultat var omkring tre til fire gange mere følsomt end den tidligere bedste søgning efter axion-lignende partikler, som kom fra Chandra-observationer af det supermassive sorte hul i M87. Denne Perseus-undersøgelse er også omkring hundrede gange stærkere end strømmålinger, der kan udføres i laboratorier her på Jorden for den række af masser, som de har overvejet.

Klart, en mulig fortolkning af dette arbejde er, at axion-lignende partikler ikke eksisterer. En anden forklaring er, at partiklerne har endnu lavere konvertibilitetsværdier end denne observations detektionsgrænse, og lavere end nogle partikelfysikere har forventet. De kunne også have højere masser end undersøgt med Chandra-dataene.

Et papir, der beskriver disse resultater, udkom den 10. februar, 2020 udgave af The Astrofysisk tidsskrift .