Røntgenstråler omkring Magnificent 7 kan være spor af eftertragtede partikler

En ny undersøgelse, ledet af en teoretisk fysiker ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), antyder, at aldrig-før-observerede partikler kaldet axioner kan være kilden til uforklarlige, højenergi røntgenstråling omkring en gruppe neutronstjerner.

Først teoretiseret i 1970'erne som en del af en løsning på et grundlæggende partikelfysisk problem, aksioner forventes at blive produceret i kernen af ​​stjerner, og konvertere til partikler af lys, kaldet fotoner, i nærvær af et magnetfelt.

Axioner kan også udgøre mørkt stof - de mystiske ting, der anslår at udgøre 85 procent af universets samlede masse, alligevel har vi indtil videre kun set dets gravitationsvirkninger på almindeligt stof. Selv hvis røntgenoverskuddet viser sig ikke at være aksioner eller mørkt stof, det kunne stadig afsløre ny fysik.

En samling neutronstjerner, kendt som Magnificent 7, tilvejebragt et fremragende testleje for mulig tilstedeværelse af aksioner, da disse stjerner har kraftige magnetfelter, er relativt nærliggende - inden for hundredvis af lysår - og forventedes kun at producere lavenergi røntgenstråler og ultraviolet lys.

"De er kendt for at være meget" kedelige, '" og i dette tilfælde er det en god ting, sagde Benjamin Safdi, en divisionsstipendiat i teorigruppen i Berkeley Lab Physics Division, der ledede en undersøgelse, offentliggjort 12. januar i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , detaljering af axion-forklaringen på overskuddet.

Christopher Dessert, en tilknyttet Berkeley Lab Physics Division, bidrog stærkt til undersøgelsen, som også havde deltagelse af forskere ved UC Berkeley, University of Michigan, Princeton University, og University of Minnesota.

Hvis neutronstjernerne var af en type kendt som pulsarer, de ville have en aktiv overflade, der afgiver stråling ved forskellige bølgelængder. Denne stråling ville dukke op over det elektromagnetiske spektrum, Safdi bemærkede, og kunne overdøve denne røntgensignatur, som forskerne havde fundet, eller ville producere radiofrekvente signaler. Men Magnificent 7 er ikke pulsarer, og intet sådant radiosignal blev detekteret. Andre almindelige astrofysiske forklaringer ser heller ikke ud til at holde til observationerne, sagde Safdi.

Hvis røntgenoverskuddet, der detekteres omkring Magnificent 7, genereres fra et eller flere objekter, der gemmer sig bag neutronstjernerne, det ville sandsynligvis have vist sig i de datasæt, som forskere bruger fra to rumsatellitter:Den Europæiske Rumorganisations XMM-Newton og NASAs Chandra røntgenteleskoper.

Safdi og samarbejdspartnere siger, at det stadig er meget muligt, at en ny, ikke-axion forklaring opstår for at tage højde for det observerede røntgenoverskud, selvom de forbliver håbefulde, at en sådan forklaring vil ligge uden for standardmodellen for partikelfysik, og at nye jord- og rumbaserede eksperimenter vil bekræfte oprindelsen af ​​det højenergiske røntgensignal.

"Vi er ret overbeviste om, at dette overskud eksisterer, og meget overbevist om, at der er noget nyt blandt dette overskud, " sagde Safdi. "Hvis vi var 100 % sikre på, at det, vi ser, er en ny partikel, det ville være enormt. Det ville være revolutionerende inden for fysik." Selv hvis opdagelsen viser sig ikke at være forbundet med en ny partikel eller mørkt stof, han sagde, "Det ville fortælle os så meget mere om vores univers, og der ville være meget at lære."

Raymond Co, en postdoc-forsker fra University of Minnesota, der samarbejdede i undersøgelsen, sagde, "Vi påstår ikke, at vi har gjort opdagelsen af ​​aksionen endnu, men vi siger, at de ekstra røntgenfotoner kan forklares med aksioner. Det er en spændende opdagelse af overskuddet i røntgenfotoner, og det er en spændende mulighed, der allerede er i overensstemmelse med vores fortolkning af aksioner."

Hvis der findes aksioner, de ville forventes at opføre sig meget som neutrinoer i en stjerne, da begge ville have meget ringe masse og kun interagere meget sjældent og svagt med andet stof. De kunne produceres i overflod i det indre af stjerner. Uladede partikler kaldet neutroner bevæger sig rundt i neutronstjerner, lejlighedsvis interagerer ved at sprede sig fra hinanden og frigive en neutrino eller muligvis en axion. Den neutrino-emitterende proces er den dominerende måde, hvorpå neutronstjerner afkøles over tid.

Ligesom neutrinoer, aksionerne ville være i stand til at rejse uden for stjernen. Det utroligt stærke magnetfelt, der omgiver de storslåede 7 stjerner - milliarder af gange stærkere end magnetiske felter, der kan produceres på Jorden - kan få udgående aksioner til at omdannes til lys.

Neutronstjerner er utroligt eksotiske objekter, og Safdi bemærkede, at en masse modellering, dataanalyse, og teoretisk arbejde gik ind i den seneste undersøgelse. Forskere har i høj grad brugt en bank af supercomputere kendt som Lawrencium Cluster ved Berkeley Lab i det seneste arbejde.

Noget af dette arbejde var blevet udført ved University of Michigan, hvor Safdi tidligere arbejdede. "Uden det højtydende supercomputing arbejde i Michigan og Berkeley, intet af dette ville have været muligt, " han sagde.

"Der er en masse databehandling og dataanalyse, der gik ind i dette. Du er nødt til at modellere det indre af en neutronstjerne for at forudsige, hvor mange aksioner der skal produceres inde i den stjerne."

Safdi bemærkede, at som et næste skridt i denne forskning, hvide dværgstjerner ville være det bedste sted at søge efter aksioner, fordi de også har meget stærke magnetfelter, og forventes at være "røntgenfrie omgivelser."

"Dette begynder at være ret overbevisende, at dette er noget ud over standardmodellen, hvis vi ser et røntgenoverskud der, også, " han sagde.

Forskere kunne også få et andet røntgenrumteleskop, kaldet NuStar, for at hjælpe med at løse røntgenoverskudsmysteriet.

Safdi sagde, at han også er begejstret for jordbaserede eksperimenter såsom CAST på CERN, som fungerer som et solteleskop til at detektere aksioner omdannet til røntgenstråler af en stærk magnet, og ALPS II i Tyskland, som ville bruge et kraftigt magnetfelt til at få aksioner til at omdannes til partikler af lys på den ene side af en barriere, når laserlys rammer den anden side af barrieren.

Aksioner har fået mere opmærksomhed, da en række eksperimenter har undladt at vise tegn på WIMP (svagt interagerende massiv partikel), endnu en lovende mørkt stof-kandidat. Og axion-billedet er ikke så ligetil – det kunne faktisk være et familiealbum.

Der kunne være hundredvis af axion-lignende partikler, eller ALP'er, som udgør mørkt stof, og strengteori - en kandidatteori til at beskrive universets kræfter - holder åben for den mulige eksistens af mange typer ALP'er.