Fizikçiler nötron yıldızlarının eksenel bulutlarla örtülebileceğini gösteriyor

Amsterdam, Princeton ve Oxford üniversitelerinden fizikçilerden oluşan bir ekip, nötron yıldızlarının etrafındaki büyük bulutlarda eksen adı verilen son derece hafif parçacıkların oluşabileceğini gösterdi. Bu eksenler, kozmologların aradığı bulunması zor karanlık madde için bir açıklama oluşturabilir ve dahası, bunları gözlemlemek çok da zor olmayabilir.

araştırma dergide yayınlandı Fiziksel İnceleme X ve yazarların aksiyonları ve nötron yıldızlarını tamamen farklı bir bakış açısıyla inceledikleri önceki çalışmanın devamı niteliğindedir.

Önceki çalışmalarında nötron yıldızından kaçan eksenleri araştıran araştırmacılar, şimdi geride kalanlara, yani yıldızın yerçekimi tarafından yakalanan eksenlere odaklanıyor. Zaman geçtikçe, bu parçacıklar yavaş yavaş nötron yıldızının çevresinde puslu bir bulut oluşturacak ve bu tür eksen bulutlarının teleskoplarımızda da gözlemlenebileceği ortaya çıktı. Peki gökbilimciler ve fizikçiler neden uzaktaki yıldızların etrafındaki puslu bulutlarla bu kadar ilgileniyorlar?

Axionlar: Sabundan karanlık maddeye

Protonlar, nötronlar, elektronlar, fotonlar; çoğumuz bu küçük parçacıkların en azından bazılarının adlarına aşinayız. Axion daha az biliniyor ve bunun iyi bir nedeni var: Şu anda yalnızca varsayımsal bir parçacık türü; henüz kimsenin tespit edemediği bir parçacık.

Adını bir sabun markasından alan bu maddenin varlığı ilk kez 1970’lerde, çok iyi gözlemleyebildiğimiz parçacıklardan biri olan nötron hakkındaki anlayışımızdaki bir sorunu – dolayısıyla sabun referansını – ortadan kaldırmak için öne sürüldü. Bununla birlikte, teorik olarak çok hoş olsa da, eğer bu eksenler mevcut olsaydı, son derece hafif olacaklardı, bu da onların deneylerde veya gözlemlerde tespit edilmesini çok zorlaştıracaktı.

Bugün eksenler aynı zamanda çağdaş fiziğin en büyük gizemlerinden biri olan karanlık maddeyi açıklamada önde gelen bir aday olarak biliniyor. Pek çok farklı kanıt, evrenimizdeki madde içeriğinin yaklaşık %85’inin “karanlık” olduğunu, yani onun bildiğimiz ve şu anda gözlemleyebildiğimiz herhangi bir madde türünden oluşmadığını göstermektedir.

Bunun yerine, karanlık maddenin varlığı, görünür madde üzerinde uyguladığı yerçekimsel etki yoluyla yalnızca dolaylı olarak anlaşılmaktadır. Neyse ki bu, otomatik olarak karanlık maddenin görünür maddeyle başka hiçbir etkileşiminin olmadığı anlamına gelmez, ancak eğer bu tür etkileşimler mevcutsa, bunların gücü mutlaka çok küçüktür. Adından da anlaşılacağı gibi, herhangi bir geçerli karanlık madde adayının doğrudan gözlemlenmesi inanılmaz derecede zordur.

Fizikçiler, bir ve birleri bir araya getirdiğinde, aksionun karanlık madde problemini çözmek için tam olarak aradıkları şey olabileceğini fark ettiler. Henüz gözlemlenmemiş, son derece hafif ve diğer parçacıklarla çok zayıf etkileşime sahip olan bir parçacık… eksenler, karanlık maddenin açıklamasının en azından bir parçası olabilir mi?

Büyüteç olarak nötron yıldızları

Axion’un bir karanlık madde parçacığı olduğu fikri güzel, ancak fizikte bir fikir ancak gözlemlenebilir sonuçları varsa gerçekten güzeldir. Sonuçta, olası varoluşlarının ilk kez önerilmesinden elli yıl sonra, eksenleri gözlemlemenin bir yolu var mıydı?

Elektrik ve manyetik alanlara maruz kaldıklarında eksenlerin fotonlara (ışık parçacıkları) dönüşmesi beklenir. Işık, nasıl gözlemleyeceğimizi bildiğimiz bir şeydir, ancak daha önce de belirtildiği gibi, karşılık gelen etkileşim gücü çok küçük olmalıdır ve dolayısıyla eksenlerin genel olarak ürettiği ışık miktarı da öyle. Yani, ideal olarak çok güçlü elektromanyetik alanlarda, gerçekten büyük miktarda eksen içeren bir ortam düşünülmediği sürece.

Bu durum araştırmacıları evrenimizdeki bilinen en yoğun yıldızlar olan nötron yıldızlarını düşünmeye yöneltti. Bu nesnelerin güneşimize benzer kütleleri var ancak boyutları 12 ila 15 kilometre arasında olan yıldızlara sıkıştırılmış durumda.

Bu tür aşırı yoğunluklar, aynı zamanda Dünya’da bulduğumuzdan milyarlarca kat daha güçlü, muazzam manyetik alanlar da içeren, aynı derecede aşırı bir ortam yaratıyor. Son araştırmalar, eğer eksenler mevcutsa, bu manyetik alanların nötron yıldızlarının bu parçacıkları yüzeylerinin yakınında toplu olarak üretmesine izin verdiğini göstermiştir.

Geride kalanlar

Önceki çalışmalarında yazarlar, üretimden sonra yıldızdan kaçan eksenlere odaklandılar; bu eksenlerin üretilecek miktarlarını, hangi yörüngeleri izleyeceklerini ve ışığa dönüşümlerinin nasıl zayıf ama potansiyel olarak gözlemlenebilir bir yıldıza yol açabileceğini hesapladılar. sinyal.

Bu sefer, kaçmayı başaramayan, küçük kütlelerine rağmen nötron yıldızının muazzam yerçekimine yakalanan eksenleri ele alıyorlar.

Eksenin çok zayıf etkileşimleri nedeniyle, bu parçacıklar etrafta kalacak ve milyonlarca yıla kadar zaman ölçeklerinde nötron yıldızının etrafında birikecekler. Bu, nötron yıldızlarının etrafında çok yoğun eksen bulutlarının oluşmasına neden olabilir ve bu da eksen araştırmaları için inanılmaz yeni fırsatlar sağlar.

Makalelerinde araştırmacılar, bu eksen bulutlarının oluşumunun yanı sıra özelliklerini ve daha sonraki evrimini inceliyor ve bunların var olması gerektiğine ve birçok durumda var olması gerektiğine işaret ediyor.

Aslında yazarlar, eğer eksenler mevcutsa, eksen bulutlarının genel olması gerektiğini (geniş bir eksen özellikleri yelpazesi için nötron yıldızlarının çoğunun, hatta belki de tamamının etrafında oluşmaları gerektiğini), genel olarak çok yoğun olmaları gerektiğini (muhtemelen bir yoğunluk oluşturmaları gerektiğini) savunuyorlar. yerel karanlık madde yoğunluklarından yirmi kat daha büyük) ve bu nedenle güçlü gözlemsel imzalara yol açmaları gerekiyor.

İkincisinin potansiyel olarak pek çok türü vardır ve yazarlar bunlardan ikisini tartışmaktadır: bir nötron yıldızının ömrünün büyük bir kısmı boyunca yayılan sürekli bir sinyal ve aynı zamanda bir nötron yıldızının ömrünün sonunda, nötron yıldızı üretmeyi bıraktığında tek seferlik bir ışık patlaması. elektromanyetik radyasyonu. Bu imzaların her ikisi de mevcut radyo teleskopları kullanılarak bile gözlemlenebilir ve eksenler ile fotonlar arasındaki etkileşimi mevcut sınırların ötesinde araştırmak için kullanılabilir.

Sırada ne var?

Şu ana kadar herhangi bir eksen bulutu gözlemlenmemesine rağmen, yeni sonuçlarla ne aramamız gerektiğini çok kesin bir şekilde biliyoruz, bu da eksenleri kapsamlı bir şekilde aramayı çok daha mümkün kılıyor. Yapılacaklar listesinin ana noktası bu nedenle “axion bulutlarını aramak” olsa da, çalışma aynı zamanda keşfedilecek birçok yeni teorik yolun da önünü açıyor.

Öncelikle yazarlardan biri, eksen bulutlarının nötron yıldızlarının dinamiklerini nasıl değiştirebileceğini inceleyen bir takip çalışmasına halihazırda dahil oldu. Gelecekteki bir diğer önemli araştırma yönü, eksen bulutlarının sayısal modellenmesidir: mevcut makale büyük bir keşif potansiyeli göstermektedir, ancak neyi, nerede arayacağını daha kesin olarak bilmek için daha fazla sayısal modellemeye ihtiyaç vardır.

Son olarak, mevcut sonuçların tümü tek nötron yıldızları içindir, ancak bu yıldızların çoğu, bazen başka bir nötron yıldızıyla, bazen de bir kara delikle birlikte ikili yıldızların bileşenleri olarak görünmektedir. Bu tür sistemlerdeki eksen bulutlarının fiziğini anlamak ve potansiyel olarak gözlemsel sinyallerini anlamak çok değerli olacaktır.

Dolayısıyla mevcut çalışma, yeni ve heyecan verici bir araştırma yönünde önemli bir adımdır. Axion bulutlarının tam olarak anlaşılması, parçacık (astro)fiziği, plazma fiziği ve gözlemsel radyo astronomisi dahil olmak üzere birçok bilim dalından tamamlayıcı çabalar gerektirecektir.

Bu çalışma, gelecekteki araştırmalar için birçok fırsat sunan bu yeni, disiplinler arası alanın önünü açıyor.