Vi skulle kunna vara närmare att förstå mysteriet bakom vad mörk materia är, efter ny forskning från fysiker vid King's College London.
Teoretiserades först 1977, axioner är en hypotetisk partikel med ljusmassa som har föreslagits som en möjlig utmanare för mörk materia, på grund av värmen de avger. Men på grund av de olika storlekar och massor de kan vara, har deras avgörande identifiering varit svår.
I en serie artiklar i Physical Review D , Liina Chung-Jukko, professorerna Malcolm Fairbairn, Eugene Lim, Dr. David Marsh och medarbetare har föreslagit ett nytt tillvägagångssätt för att lokalisera denna "underpartikel" som kan förklara både mörk energi och mörk materia.
Professor Malcolm Fairbairn förklarar, "Axioner är en av de främsta kandidaterna för mörk materia. Vi upptäckte att de har kapaciteten att värma upp universum precis som supernovor och vanliga stjärnor efter att ha kommit samman i täta klumpar. Beväpnade med den kunskapen vet vi överlägset. mer säkerhet var vi ska peka ut våra instrument i fält för att hitta dem."
Einsteins allmänna relativitetsteori antyder att cirka 85 % av materialet i universum är mörk materia – en okänd form av materia som vi inte har kunnat observera eller undersöka. Gravitationseffekter, observerade i scenarier som bildandet av galaxer, är inte vettiga i Einsteins modell om det inte finns en stor mängd materia som vi inte kan se och som inte interagerar med ljus eller elektromagnetiska fält.
Axioner är en utmanare för denna hypotetiska form av materia. Dessa lågmassapartiklar måste finnas i mycket stort antal för att förklara den saknade massan i galaxer. Eftersom dessa axioner måste finnas i stort antal måste de också packas tätt i specifika områden, vilket innebär att de blir föremål för kvantmekanikens lagar.
Detta skulle innebära att enskilda axions skulle börja agera i samförstånd. Det skulle betyda att det kan finnas stora grupperingar av axion mörk materia i centrum av galaxer, även kända som "axionsstjärnor."
Dessa axionsstjärnor kan bli instabila förbi ett visst tröskelvärde, explodera i elektromagnetisk strålning och fotoner – ljuspartiklar, som visats mer i detalj av Liina Chung-Jukko. Forskarna föreslår att dessa explosioner har potential att ha värmt upp den intergalaktiska gasen som finns mellan galaxer under tiden som skiljer big bang och bildandet av de första stjärnorna, 50–500 miljoner år efter universums början.
Detta skulle förändra hur kosmisk bakgrundsstrålning (CMB) – den elektromagnetiska strålningen som fyller hela rymden – skulle se ut under denna period, som forskare för närvarande kan observera genom radiovågor med en metod som kallas 21cm-mätning.
Genom att leta efter signaler om var axionsstjärnor exploderade i det tidiga eller nuvarande universum på detta sätt, kan forskare använda dessa metoder för att spåra den hittills oobserverade axionen och upptäcka källan till en del, om inte all, mörk materia.
Malcolm Fairbairn sa:"Koherenta axionsstjärnor, även de som är relativt kompakta, har potential att brista in i en gloria av elektromagnetism och ljus. Att känna till vilken typ av strukturer axion mörk materia kan bilda och dess inverkan på omgivande intergalaktisk gas, kan bana nya sätt för dess upptäckt.
"Att kunna hitta axionen skulle sannolikt hjälpa oss att lösa en av vetenskapens största frågor, över ett sekel på väg, och bidra till att avslöja historien om det tidiga universum."
Genom att beräkna det totala antalet axionsstjärnor i universum, och i förlängningen deras latenta explosiva potential på intergalaktisk gas, har teamet också anat att storleken på signalaxionsstjärnorna skulle ge ut i CMB. Detta skulle göra det möjligt för 21 cm-mått att kategorisera vad som kommer från axioner och vad som inte kommer från axioner exakt, vilket underlättar sökningen.
Verket från King's ansluter sig till en växande kör bland det vetenskapliga samfundet som söker efter axionen som den främsta utmanaren för mörk materia, sa David Marsh, "21 cm-mätning ses generellt som framtiden för kosmologi, och den roll som den spelar i sökandet efter axion är en stor anledning till det. Det är för närvarande en enorm spridning av axionsökningar som byggs, inklusive projekt som Dark Matter Radio. Det är en väldigt, väldigt spännande tid att vara astrofysiker just nu
Mer information: Miguel Escudero et al, Axion star explosions:A new source for axion indirect detection, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.043018
Xiaolong Du et al, Soliton fusionshastigheter och förbättrad axion mörk materia förfall, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.043019
Journalinformation: Fysisk granskning D
Tillhandahålls av King's College London
