En ny studie, ledd av en teoretisk fysiker vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), antyder att aldrig tidigare observerade partiklar som kallas axioner kan vara källan till oförklarliga, högenergiröntgenstrålning som omger en grupp neutronstjärnor.

Teoretiserades först på 1970-talet som en del av en lösning på ett grundläggande partikelfysikproblem, axioner förväntas produceras i kärnan av stjärnor, och att omvandla till ljuspartiklar, kallas fotoner, i närvaro av ett magnetfält.

Axioner kan också utgöra mörk materia - det mystiska som står för uppskattningsvis 85 procent av universums totala massa, Ändå har vi hittills bara sett dess gravitationseffekter på vanlig materia. Även om röntgenöverskottet inte visar sig vara axioner eller mörk materia, det kan fortfarande avslöja ny fysik.

En samling neutronstjärnor, känd som Magnificent 7, tillhandahållit en utmärkt testbädd för eventuell närvaro av axioner, eftersom dessa stjärnor har kraftfulla magnetfält, är relativt nära – inom hundratals ljusår – och förväntades endast producera lågenergiröntgenstrålar och ultraviolett ljus.

"De är kända för att vara väldigt"tråkiga, '" och i det här fallet är det bra, sa Benjamin Safdi, en divisionsstipendiat i teorigruppen för Berkeley Lab Physics Division som ledde en studie, publicerad 12 januari i tidskriften Fysiska granskningsbrev , detaljerad axionförklaring för överskottet.

Christopher Dessert, en Berkeley Lab Physics Division affiliate, bidrog starkt till studien, som också deltog av forskare vid UC Berkeley, University of Michigan, Princeton Universitet, och University of Minnesota.

Om neutronstjärnorna var av en typ som kallas pulsarer, de skulle ha en aktiv yta som avger strålning vid olika våglängder. Denna strålning skulle visa sig över det elektromagnetiska spektrumet, Safdi noterade, och kunde dränka denna röntgensignatur som forskarna hade hittat, eller skulle producera radiofrekventa signaler. Men Magnificent 7 är inte pulsarer, och ingen sådan radiosignal upptäcktes. Andra vanliga astrofysiska förklaringar verkar inte heller hålla för observationerna, sa Safdi.

Om röntgenöverskottet som detekteras runt Magnificent 7 genereras från ett eller flera föremål som gömmer sig bakom neutronstjärnorna, som sannolikt skulle ha visat sig i datamängder som forskare använder från två rymdsatelliter:Europeiska rymdorganisationens XMM-Newton och NASA:s Chandra röntgenteleskop.

Safdi och medarbetare säger att det fortfarande är fullt möjligt att en ny, icke-axion förklaring uppstår för att ta hänsyn till det observerade röntgenöverskottet, även om de förblir hoppfulla att en sådan förklaring kommer att ligga utanför standardmodellen för partikelfysik, och att nya mark- och rymdbaserade experiment kommer att bekräfta ursprunget till högenergiröntgensignalen.

"Vi är ganska övertygade om att detta överskott finns, och mycket säker på att det finns något nytt bland detta överskott, " sa Safdi. "Om vi ​​var 100% säkra på att det vi ser är en ny partikel, det skulle vara enormt. Det skulle vara revolutionerande inom fysiken." Även om upptäckten inte visar sig vara associerad med en ny partikel eller mörk materia, han sa, "Det skulle berätta så mycket mer om vårt universum, och det skulle finnas mycket att lära."

Raymond Co, en postdoktoral forskare vid University of Minnesota som samarbetade i studien, sa, "Vi påstår inte att vi har gjort upptäckten av axionen ännu, men vi säger att de extra röntgenfotonerna kan förklaras av axioner. Det är en spännande upptäckt av överskottet i röntgenfotoner, och det är en spännande möjlighet som redan är förenlig med vår tolkning av axioner."

Om axioner finns, de skulle förväntas bete sig ungefär som neutriner i en stjärna, eftersom båda skulle ha mycket ringa massor och interagera endast mycket sällan och svagt med annan materia. De kunde produceras i överflöd i stjärnornas inre. Oladdade partiklar som kallas neutroner rör sig inom neutronstjärnor, interagerar ibland genom att sprida bort från varandra och släppa en neutrino eller möjligen en axion. Neutrinonemitteringsprocessen är det dominerande sättet att svalna neutronstjärnor med tiden.

Som neutriner, axionerna skulle kunna resa utanför stjärnan. Det otroligt starka magnetfältet som omger de magnifika 7-stjärnorna – miljarder gånger starkare än magnetfält som kan produceras på jorden – kan få utträdande axioner att omvandlas till ljus.

Neutronstjärnor är otroligt exotiska objekt, och Safdi noterade att mycket modellering, dataanalys, och teoretiskt arbete gick in i den senaste studien. Forskare har flitigt använt en bank av superdatorer känd som Lawrencium Cluster vid Berkeley Lab i det senaste arbetet.

En del av detta arbete hade utförts vid University of Michigan, där Safdi tidigare arbetade. "Utan det högpresterande superdatorarbetet i Michigan och Berkeley, inget av detta skulle ha varit möjligt, " han sa.

"Det är mycket databearbetning och dataanalys som gick in i detta. Du måste modellera det inre av en neutronstjärna för att förutsäga hur många axioner som ska produceras inuti den stjärnan."

Safdi noterade att som ett nästa steg i denna forskning, vita dvärgstjärnor skulle vara en utmärkt plats att söka efter axioner eftersom de också har mycket starka magnetfält, och förväntas vara "röntgenfria miljöer."

"Detta börjar vara ganska övertygande att detta är något bortom standardmodellen om vi ser ett överskott av röntgenstrålar där, för, " han sa.

Forskare kan också anlita ett annat röntgenrymdteleskop, kallas NuStar, för att hjälpa till att lösa mysteriet med röntgenöverskott.

Safdi sa att han också är exalterad över markbaserade experiment som CAST på CERN, som fungerar som ett solteleskop för att upptäcka axioner som omvandlas till röntgenstrålar av en stark magnet, och ALPS II i Tyskland, som skulle använda ett kraftfullt magnetfält för att få axioner att omvandlas till ljuspartiklar på ena sidan av en barriär när laserljus träffar den andra sidan av barriären.

Axioner har fått mer uppmärksamhet eftersom en rad experiment har misslyckats med att visa tecken på WIMP (svagt interagerande massiv partikel), ytterligare en lovande kandidat för mörk materia. Och axionbilden är inte så okomplicerad – det kan faktiskt vara ett familjealbum.

Det kan finnas hundratals axionliknande partiklar, eller ALP:er, som utgör mörk materia, och strängteori – en kandidatteori för att beskriva universums krafter – håller öppet för den möjliga existensen av många typer av ALP.