En axion är en hypotetisk elementarpartikel vars existens postulerades för att förklara varför vissa subatomära reaktioner verkar bryta mot grundläggande symmetribegränsningar, i synnerhet symmetri i tid. 1980 års Nobelpris i fysik gick till upptäckten av tidsasymmetriska reaktioner. Under tiden, under de följande decennierna, astronomer som studerade galaxernas rörelser och karaktären hos den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen insåg att det mesta av materien i universum inte var synlig. Det kallades mörk materia, och dagens bästa mätningar visar att cirka 84% av materien i kosmos är mörk. Denna komponent är mörk inte bara för att den inte avger ljus – den är inte sammansatt av atomer eller deras vanliga beståndsdelar, som elektroner och protoner, och dess natur är mystisk. Axioner har föreslagits som en möjlig lösning. Partikelfysiker, dock, har hittills inte kunnat detektera direkt axioner, lämnar deras existens i tvivel och återupplivar pussel de var tänkta att lösa.

CfA-astronomen Paul Nulsen och hans kollegor använde en ny metod för att undersöka arten av axioner. Kvantmekanik begränsar axioner, om de finns, att interagera med ljus i närvaro av ett magnetfält. När de sprider sig längs ett starkt fält, axioner och fotoner bör transmutera från den ena till den andra på ett oscillerande sätt. Eftersom styrkan av alla möjliga effekter delvis beror på fotonernas energi, astronomerna använde Chandra röntgenobservatorium för att övervaka ljusa röntgenemissioner från galaxer. De observerade röntgenstrålar från kärnan i galaxen M87, som är känt för att ha starka magnetfält, och som (på ett avstånd av endast femtiotre miljoner ljusår) är tillräckligt nära för att möjliggöra exakta mätningar av variationer i röntgenflödet. Dessutom, M87 ligger i ett kluster av galaxer, Jungfruklustret, vilket ska säkerställa att magnetfälten sträcker sig över mycket stora skalor och även underlätta tolkningen. Inte minst, M87 har studerats noggrant i decennier och dess egenskaper är relativt välkända.

Sökningen hittade inte signaturen för axioner. Det gör det, dock, sätta en viktig ny gräns för styrkan i kopplingen mellan axioner och fotoner, och kan utesluta en betydande del av de möjliga framtida experiment som kan genomföras för att detektera axioner. Forskarna noterar att deras forskning belyser kraften hos röntgenastronomi för att undersöka några grundläggande frågor inom partikelfysik, och peka på kompletterande forskningsaktiviteter som kan utföras på andra ljusa röntgengalaxer.