Teoretyczne gwiazdy aksjonowe mogą pomóc zgłębić tajemnicę ciemnej materii

Dzięki nowym badaniom przeprowadzonym przez fizyków z King’s College London, ludzkość jest coraz bliżej zrozumienia tajemnicy kryjącej się za tym, czym jest ciemna materia. Teoretyczne gwiazdy aksjonowe mogą pomóc odkryć tę tajemnicę.

Po raz pierwszy zaproponowane w 1977 roku, aksjony są hipotetycznymi cząstkami o lekkiej masie, które zostały zasugerowane jako potencjalny pretendent do ciemnej materii, ze względu na wydzielane przez siebie ciepło. Jednak przez niewielki zakres rozmiarów i mas, ich jednoznaczna identyfikacja była dla badaczy trudna.

Naukowcy Malcolm Fairbairn, Eugene Lim i David Marsh z King’s College London, zaproponowali nowe podejście do zlokalizowania tej „cudownej cząstki”, która mogłaby wyjaśnić zarówno ciemną energię, jak i ciemną materię. Badanie zostało opublikowane w Physical Review D.

„Aksjony są jednym z głównych kandydatów na ciemną materię. Odkryliśmy, że mają one zdolność do ogrzewania Wszechświata, podobnie jak supernowe i zwykłe gwiazdy, po połączeniu się w gęste skupiska. Uzbrojeni w tę wiedzę, wiemy z dużo większą pewnością, gdzie skierować nasze instrumenty, aby je znaleźć” – wyjaśnia profesor Malcolm Fairbairn.

Jak zaznaczają naukowcy, ogólna teoria względności Einsteina sugeruje, że około 85 proc. materii we Wszechświecie to ciemna materia – nieznana forma materii, której astronomowie nie są w stanie zaobserwować ani zbadać. Efekty grawitacyjne, obserwowane w scenariuszach takich jak formowanie się galaktyk, nie mają sensu w modelu Einsteina, chyba że istnieje duża ilość materii, której nie widać i która nie wchodzi w interakcje ze światłem lub polami elektromagnetycznymi.

Zdaniem badaczy, taką hipotetyczną formą materii są aksjony. Cząstki o niskiej masie muszą występować w bardzo dużych ilościach, aby wyjaśnić brak masy w galaktykach. Ponieważ aksjony muszą istnieć w dużych ilościach, muszą być również gęsto upakowane w określonych obszarach, co oznacza, że podlegają prawom mechaniki kwantowej.

Jak sugerują astronomowie, poszczególne aksjony zaczęłyby działać wspólnie, co oznaczałoby to, że w centrum galaktyk mogą znajdować się duże skupiska ciemnej materii aksjonowej, zwane jako „gwiazdy aksjonowe”.

Teoretyczne Gwiazdy aksjonowe mogą stać się niestabilne po przekroczeniu pewnego progu masy, jak zakładają badacze, eksplodując w formie promieniowania elektromagnetycznego i fotonów (cząsteczek światła). Naukowcy sugerują, że eksplozje te mogły potencjalnie podgrzać gaz międzygalaktyczny w czasie oddzielającym Wielki Wybuch od powstania pierwszych gwiazd, w okresie od 50 do 500 milionów lat po początku Wszechświata.

Zdaniem astronomów, zmieniłoby to sposób, w jaki kosmiczne promieniowanie tła (CMB) – promieniowanie elektromagnetyczne wypełniające całą przestrzeń kosmiczną – wyglądałoby w tym okresie, co naukowcy mogą obecnie obserwować za pomocą fal radiowych przy użyciu metody zwanej „pomiarem 21 cm” (Przejście kwantowe ze stanu wyrównanego do stanu anty-wyrównanego jest jednym z najbardziej ekstremalnych przejść ze wszystkich i wytwarza światło o długości fali dokładnie 21 cm).

Szukając w ten sposób sygnałów świadczących o tym, gdzie teoretyczne gwiazdy aksjonowe eksplodowały we wczesnym lub obecnym Wszechświecie, naukowcy mogą być w stanie wykorzystać te metody do wyśledzenia dotychczas nieuchwytnych aksjonów i odkrycia źródła ciemnej materii.

„Spójne gwiazdy aksjonowe, nawet te, które są stosunkowo zwarte, mają potencjał, aby wybuchnąć w halo pola elektromagnetycznego i światła. Znajomość rodzaju struktur, jakie może tworzyć aksjonowa ciemna materia i jej wpływu na otaczający gaz międzygalaktyczny, może utorować nowe drogi do jej wykrycia” – mówi Malcolm Fairbairn.

Emil Gołoś