Sammanslagningar av neutronstjärnor är en skattkammare för nya fysiksignaler, med implikationer för att bestämma den sanna naturen hos mörk materia, enligt forskning från Washington University i St. Louis.
Den 17 augusti 2017 upptäckte Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) i USA och Virgo, en detektor i Italien, gravitationsvågor från kollisionen mellan två neutronstjärnor. För första gången hördes denna astronomiska händelse inte bara i gravitationsvågor utan sågs även i ljus av dussintals teleskop på marken och i rymden.
Fysikern Bhupal Dev i Arts &Sciences använde observationer från denna neutronstjärnesfusion – en händelse som identifieras i astronomiska kretsar som GW170817 – för att härleda nya begränsningar för axionliknande partiklar. Dessa hypotetiska partiklar har inte observerats direkt, men de förekommer i många förlängningar av standardmodellen för fysik.
Axioner och axionliknande partiklar leder kandidaterna till att komponera en del av eller hela den "saknade" materia, eller mörk materia, av universum som forskare inte har kunnat redogöra för ännu. Åtminstone kan dessa svagt interagerande partiklar fungera som ett slags portal, som kopplar samman den synliga sektorn som människor vet mycket om till universums okända mörka sektor.
"Vi har goda skäl att misstänka att ny fysik utöver standardmodellen kanske lurar precis runt hörnet", säger Dev, första författare till studien i Physical Review Letters och en fakultetsstipendiat vid universitetets McDonnell Center for the Space Sciences.
När två neutronstjärnor smälter samman bildas en het, tät rest under en kort tidsperiod. Denna kvarleva är en idealisk grogrund för produktion av exotiska partiklar, sa Dev. "Resten blir mycket varmare än de enskilda stjärnorna i ungefär en sekund innan de slår sig ner i en större neutronstjärna eller ett svart hål, beroende på de initiala massorna", sa han.
Dessa nya partiklar flyr tyst från skräpet från kollisionen och kan, långt borta från källan, sönderfalla till kända partiklar, vanligtvis fotoner. Dev och hans team – inklusive WashU-alun Steven Harris (nu NP3M-stipendiat vid Indiana University), samt Jean-Francois Fortin, Kuver Sinha och Yongchao Zhang – visade att dessa förrymda partiklar ger upphov till unika elektromagnetiska signaler som kan detekteras av gammastråleteleskop, som NASA:s Fermi-LAT.
Forskargruppen analyserade spektral och tidsmässig information från dessa elektromagnetiska signaler och fastställde att de kunde särskilja signalerna från den kända astrofysiska bakgrunden.
Sedan använde de Fermi-LAT-data på GW170817 för att härleda nya begränsningar för axion-fotonkopplingen som en funktion av axionsmassan. Dessa astrofysiska begränsningar är komplementära till de som kommer från laboratorieexperiment, såsom ADMX, som undersöker en annan region av axionsparameterutrymmet.
I framtiden kan forskare använda befintliga rymdteleskop för gammastrålning, som Fermi-LAT, eller föreslagna gammastrålningsuppdrag, som det WashU-ledda Advanced Particle-astrophysics Telescope (APT), för att göra andra mätningar under kollisioner med neutronstjärnor och hjälpa till att förbättra deras förståelse för axionliknande partiklar.
"Extrema astrofysiska miljöer, som sammanslagningar av neutronstjärnor, ger ett nytt fönster av möjligheter i vår strävan efter mörka sektorspartiklar som axioner, som kan vara nyckeln till att förstå de saknade 85% av all materia i universum," sa Dev. /P>
Mer information: P.S. Bhupal Dev et al., First Constraints on the Photon Coupling of Axionlike Particles from Multimessenger Studies of the Neutron Star Merger GW170817, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101003
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Washington University i St. Louis
