Uzak evrendeki olağanüstü derecede yoğun, çökmüş iki yıldızın çarpışması, ilk olarak yarım yüzyıl önce öne sürülen bir karanlık madde adayı olan axion hakkında potansiyel ipuçları sağlıyor.
Yıldız kalıntıları nötron yıldızlarıdır, büyük yıldızların kendi üzerine çökmesinden sonra kalan cesetlerdir. Bu ölü yıldızlar o kadar yoğundur ki elektronları protonlarının üzerine çöker; dolayısıyla “nötron yıldızı” ortaya çıkar. Aşırı yoğunlukları aynı zamanda onları egzotik fizik için de bir alan haline getiriyor; özellikle de bir eksen kaynağı olarak önerildievrenin karanlık madde içeriğine katkıda bulunabilecek varsayımsal bir parçacık.
Yeni araştırma, yayınlanan Bu ayın başlarında Physical Review Letters’da yayınlanan makale, yaklaşık 130 ışıkyılı uzaklıktaki bir nötron yıldızı birleşmesinden elde edilen spektral ve zamansal verilere dayanarak, eksen benzeri parçacıkların fotonlarla nasıl birleşebileceğine dair kısıtlamalar getiriyor.
Aksiyon benzeri parçacıklar (veya ALP’ler), eksenlerden daha genel bir varsayımsal karanlık madde adayları sınıfıdır ve bilim adamları, bunların doğasının, fotonlar incelenerek ve parçacıkların kütle aralığını kısıtlayarak ortaya çıkarılabileceğine inanıyor. Ekip makalesinde, nötron yıldızı birleşmesinde üretilen eksen benzeri parçacıkların kalıntıdan kaçtığını ve tekrar iki fotona bozunarak teleskoplarla algılanabilen bir elektromanyetik sinyal ürettiğini yazdı. Veriler, Fermi Geniş Alan Teleskobu (Fermi-LAT) tarafından alınan çarpışmanın 2017 gözlemlerinden toplandı.
St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nden fizikçi ve araştırmanın baş yazarı Bhupal Dev, Gizmodo ile yaptığı telefon görüşmesinde “Nötron yıldızı birleşmesi için foton sinyalini alabileceğiniz eşsiz bir fırsat var” dedi. “Bu çoklu haberci çalışmasını ve bu verileri, Standart Modelin ötesinde bazı yeni fiziği araştırmak için kullanabiliriz.”
Karanlık madde evrenin %27’sini oluşturuyor gibi görünüyorancak sıradan maddeyle o kadar zayıf etkileşime giriyor ki, bilim adamları sadece yerçekimi etkileriyle tespit edin biz neyiz olabilmek Görmek. Popüler karanlık madde adayları (yani, karanlık maddenin görünürdeki varlığından sorumlu olan teorik taraflar) Zayıf Etkileşen Büyük Parçacıklar (WIMP’ler), gizli (veya karanlık) fotonlar, devasa kompakt halo nesneler (MACHO’lar) ve tabii ki eksenlerdir.
Adını bir çamaşır deterjanı markasından alan eksen, 1970’lerde fiziğe bir çözüm olarak önerilen varsayımsal bir parçacıktır. güçlü CP sorunuParçacıklar ayna görüntüleri ile değiştirildiğinde bile kuarkların fizik yasalarına bağlılığının aynı kaldığı gerçeğini anlatıyor.
Nötron yıldızları evrendeki en yoğun nesnelerden bazılarıdır ve yalnızca kara delikler tarafından yenilirler. Kara deliklerin aksine, ışık nötron yıldızlarından kaçabilir ve bu da onları elektromanyetik spektrumda gözlemlenebilir hale getirir.
Dev, eğer eksenler gerçekten fotonlarla birleşirse, eksenlerin nötron yıldızı birleşmelerinden birkaç şekilde ortaya çıkabileceğini açıklıyor. Foton birleşmesiyle, fotonların yoğun sıcak astrofizik ortamda bir araya gelip kaynaşmasından eksenler ortaya çıkacaktı. Eksenlerin ortaya çıkmasının diğer yolu, bir fotonun bir elektron banyosuyla etkileşime girerek eksenler ürettiği Primakoff sürecidir.
Önerildiği gibi eksen o kadar küçük ki bazen parçacıktan çok dalga gibi davranıyor, bu da suç mahallinden nispeten kolaylıkla kaçtığı anlamına geliyor. Ancak proton (nispeten) büyük olduğundan parçacığın bu etkileşim yatağından ortaya çıkması biraz zaman alır. Spesifik olarak, 1,7 saniye sürüyor: araştırmacıların bir nötron yıldızı birleşmesinden gelen yerçekimsel dalga sinyali ile bundan gelen elektromanyetik sinyal arasında gözlemlediği gecikme miktarı.
“Gökyüzünden çok fazla foton alıyoruz. Peki bu foton sinyalinin eksenden geldiğini gerçekten nasıl bileceğiz?” dedi Dev. “Bu, fotonların saçılma nedeniyle ortadan kaybolduğu astrofiziksel süreçlere karşı, parçacığın bozulmasından kaynaklanıyor. Yani spektrumda bir fark var. Hem zamanlama bilgisini analiz edebiliyoruz hem de spektral özellikleri analiz edebiliyoruz. İşte bu tür yeni fizik sinyallerini standart astrofiziksel süreçlerden ayırabileceğimiz yer burasıdır.”
Dünya temelli deneyler aynı zamanda eksenin potansiyel kütle aralıklarını daraltmaya da çalışıyor. LUX-Zeplin, KSENON-1Tve ALPS II deneyiMayıs 2023’te faaliyete geçen füzelerin tamamı yeraltının derinliklerinde eksenleri aramak üzere tasarlandı. Ama bunun gibi başka projeler de var. ADMX ve Karanlık Madde Radyo Yol Bulucu, başka bir karanlık madde aday sınıfı olan gizli (veya karanlık) fotonların kütle aralığını sınırlamaya çalışıyor. Karanlık Madde Radyosunun sonraki nesilleri eksenleri avlayacak.
Dev, yeni araştırmanın “aksiyon benzeri parçacıklar üzerinde bazı yeni kısıtlamalar getirdiğini, çünkü şu ana kadar herhangi bir eksen sinyali görmediğimizi” söyledi. “Bu aynı zamanda gelecekte bu astrofiziksel gözlemleri kullanarak eksen benzeri parçacıklar hakkında daha fazla bilgi edinebileceğimize dair bize umut veriyor. Ve bu, devam eden laboratuvar araştırmalarını tamamlayıcı nitelikte olacak.”
Axion avı, çok çok geniş bir kumsalda metal dedektörü kullanmaya çok benzer. Çoğu zaman fizikçiler ve gökbilimciler hiçbir şey tespit edemiyorlar. Ancak eksenler ve eksen benzeri parçacıklar için tüm potansiyel kütle aralığını araştırmak, sonunda onları bulmanın en iyi yoludur.
Daha fazla: Karanlık Madde Nedir ve Neden Henüz Kimse Bulamadı?