Pobliska supernowa mogłaby zakończyć poszukiwania ciemnej materii

Poszukiwania ciemnej materii mogą zakończyć się już wkrótce – pod warunkiem, że w pobliżu dojdzie do wybuchu supernowej. Naukowcy twierdzą, że aksjon byłby możliwy do wykrycia chwilę po kosmicznej eksplozji.

.Natura ciemnej materii wymyka się astronomom od 90 lat, odkąd zdali sobie sprawę, że 85 proc. materii we Wszechświecie nie jest widoczne przez teleskopy. Najbardziej prawdopodobnym kandydatem na ciemną materię jest obecnie aksjon, lekka cząstka, którą naukowcy wciąż próbują odnaleźć.

Astrofizycy z University of California w Berkeley twierdzą, że aksjon mógłby zostać wykryć w ciągu kilku sekund od uchwycenia promieni gamma z pobliskiej eksplozji supernowej. Aksjony, jeśli istnieją, byłyby produkowane w dużych ilościach w ciągu pierwszych 10 sekund po zapadnięciu się jądra masywnej gwiazdy w gwiazdę neutronową, te cząsteczki uciekłyby i zostałyby przekształcone w wysokoenergetyczne promienie gamma w intensywnym polu magnetycznym gwiazdy. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

Takie wykrycie byłoby możliwe tylko wtedy, gdy teleskop promieni gamma na orbicie, Fermi Gamma-ray Space Telescope, zostałby skierowany w stronę supernowej podczas jej eksplozji. Zdaniem badaczy, biorąc pod uwagę pole widzenia urządzenia, jest to szansa około jedna na 10.

Jednak pojedyncze wykrycie promieni gamma pozwoliłoby na dokładne określenie masy aksjonu, zwanego dokładnie jako aksjon QCD, w ogromnym zakresie mas teoretycznych, w tym zakresów obecnie badanych w eksperymentach na Ziemi. Jednka również niepowodzenie w jej wykryciu wyeliminowałoby szeroki zakres potencjalnych mas i sprawiłoby, że większość obecnych poszukiwań ciemnej materii stałaby się nieistotna.

Jak podkreślają astronomowie, problem również polega na tym, że aby promienie gamma były wystarczająco jasne, aby je wykryć, supernowa musi znajdować się w pobliżu — w Drodze Mlecznej lub jednej z jej galaktyk satelitarnych — a niestety pobliskie gwiazdy eksplodują średnio co kilka dekad. Ostatnia supernowa w kosmicnzym sąsiedztwie miała miejsce w 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana, jednym z satelitów naszej galaktyki. W tym czasie w kierunku supernowej skierowano obecnie niedziałający teleskop promieni gamma, Solar Maximum Mission, ale nie był on wystarczająco czuły, aby wykryć przewidywaną intensywność promieni gamma.

„Gdybyśmy zobaczyli supernową taką jak Supernowa 1987A za pomocą nowoczesnego teleskopu gamma, bylibyśmy w stanie wykryć lub wykluczyć czy ten aksjon QCD, może być ciemną materią, w dużej części jego przestrzeni parametrów — zasadniczo w całej przestrzeni parametrów, którą można i nie można zbadać w laboratorium” — mówi Benjamin Safdi, adiunkt fizyki na University of California.

Naukowcy obawiają się jednak, że gdy w pobliskim Wszechświecie wybuchnie supernowa, nie będziemy gotowi zobaczyć promieni gamma wytwarzanych przez aksjony. Badacze twierdzą, że potrzebne byłoby urządzenie lub cała flota satelitów, która pokryłaby całe niebo i monitorowała je bez przerwy i wyłapywała każdy rozbłysk gamma. Zaproponowali nawet nazwę dla całej konstelacji satelitów gamma — GALactic AXion Instrument for Supernova, czyli GALAXIS.

„Obawiamy się, że kolejna supernowa wydarzy się, zanim stworzymy odpowiednie instrumenty. Byłoby naprawdę szkoda, gdyby jutro nastąpił wybuch, a my stracilibyśmy okazję, aby wykryć aksjon — a kolejna eksplozja może nie powrócić przez kolejne 50 lat” – podkreśla Safdi.

Poszukiwania ciemnej materii pierwotnie koncentrowały się na słabych, masywnych, zwartych obiektach halo (MACHO), teoretycznie rozproszonych po naszej galaktyce i kosmosie, ale gdy nie udało się ich uchwycić, fizycy zaczęli szukać cząstek elementarnych, które teoretycznie są wszędzie wokół nas i powinny być wykrywalne w laboratoriach na Ziemi. Te słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP) również nie zostały znalezione.

Zdaniem naukowców, obecnie najlepszym kandydatem na ciemną materię jest aksjon, cząstka, która idealnie pasuje do standardowego modelu fizyki i rozwiązuje kilka innych zagadek fizyki cząstek. Aksjony również wpisują się w teorię strun – hipotezę o fundamentalnej geometrii Wszechświata i mogą być w stanie zunifikować grawitację, która wyjaśnia oddziaływania w skalach kosmicznych, z teorią mechaniki kwantowej, która opisuje oddziaływania w mikroskali.

 „Wydaje się prawie niemożliwe, aby opracowąć spójną teorię grawitacji połączoną z mechaniką kwantową, która nie ma cząstek takich jak aksjon” — podkreśla Safdi.

Aksjon QCD teoretycznie oddziaływałby z całą materią, choć słabo, poprzez cztery siły natury: grawitację, elektromagnetyzm, oddziaływanie silne, które trzyma atomy razem, i oddziaływanie słabe, które wyjaśnia, w jaki sposób atomy się rozpadają. Przez to zdaniem badaczy, w silnym polu magnetycznym aksjon powinien czasami zamienić się w falę elektromagnetyczną lub foton. Wyraźnie różni się on od innej lekkiej, słabo oddziałujących cząstek, neutrin, które oddziałują tylko poprzez grawitację i oddziaływanie słabe, a całkowicie ignorują siłę elektromagnetyczną.

Astrofizycy zaproponowali poszukiwanie aksjonów wytwarzanych wewnątrz gwiazd neutronowych bezpośrednio po supernowej z zapadnięciem się jądra. Jednak do tej pory skupiali się głównie na wykrywaniu promieni gamma z powolnej transformacji tych cząstek w fotony w polach magnetycznych galaktyk. W nowym badaniu astronomowie zdali sobie sprawę, że ten proces nie jest zbyt wydajny w wytwarzaniu promieni gamma i trudno go wykryć go z Ziemi.

Zamiast tego badali produkcję promieni gamma przez aksjony w silnych polach magnetycznych wokół samej gwiazdy, które wygenerowałyby je. Ten proces, jak wykazały symulacje superkomputerowe, jest bardziej wydajny w wytwarzaniu serii promieni gamma, która zależy od masy aksjonu, a emisja powinna wystąpić jednocześnie z wyrzutem neutrin z wnętrza gwiazdy neutronowej. Jednak jak podkreślają naukowcy, wybuch aksjonów trwałby zaledwie 10 sekund po uformowaniu się gwiazdy neutronowej – po tym czasie tempo produkcji gwałtownie spadałoby – chociaż potrzeba kilku godzin, aby zewnętrzne warstwy gwiazdy eksplodowały.

„To skłoniło nas do myślenia o gwiazdach neutronowych jako optymalnych celach do poszukiwania aksjonów. Mają one wiele zalet. Są niesamowicie gorące. Mają również bardzo silne pola magnetyczne. Najsilniejsze pola magnetyczne w naszym Wszechświecie występują właśnie wokół gwiazd neutronowych, takich jak magnetary, są dziesiątki miliardów razy silniejsze niż te, które możemy zbudować w laboratorium. A zapewne pomaga to przekształcić aksjony w obserwowalne sygnały” – twierdzi Safdi.

Naukowcy ustalili, że górny limit masy aksjonu QCD na około 16 milionów elektronowoltów, czyli około 32 razy mniej niż masa elektronu. Opierało się to na tempie chłodzenia gwiazd neutronowych, które stygłyby szybciej, gdyby cząsteczki te były produkowane wraz z neutrinami wewnątrz tych gorących, zwartych ciał.

.„Najlepszym scenariuszem dla aksjonów jest to, że teleskop Fermi złapie supernową. Szanse na to są jednak niewielkie. Ale gdyby ją zobaczył, moglibyśmy zmierzyć jej masę, co pozwoliłoby określić jej siłę. Moglibyśmy wykazać wszystko, co chcielibyśmy wiedzieć o aksjonie, i bylibyśmy niesamowicie pewni sygnału, ponieważ nie ma zwykłej materii, która mogłaby stworzyć takie zdarzenie” – podsumowuje Safdi.

Oprac. EG