Tim fizičara sa univerziteta u Amsterdamu, Prinstonu i Oksfordu pokazao je da se izuzetno lagane čestice poznate kao aksioni mogu pojaviti u velikim oblacima oko neutronskih zvezda. Ovi aksioni bi mogli da formiraju objašnjenje za neuhvatljivu tamnu materiju koju kosmolozi traže – i štaviše, možda ih nije previše teško posmatrati.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review X i nastavak je prethodnog rada, u kojem su autori proučavali i aksione i neutronske zvezde, ali sa potpuno drugačije tačke gledišta.
Dok su u svom prethodnom radu istraživali aksione koje beže od neutronske zvezde, sada se istraživači fokusiraju na one koji su zaostali – aksione koje zarobi gravitacija zvezde. Kako vreme prolazi, ove čestice bi trebalo postepeno da formiraju maglovit oblak oko neutronske zvezde, i ispostavilo se da bi takvi aksioni oblaci mogli biti vidljivi u našim teleskopima. Ali zašto bi astronomi i fizičari bili toliko zainteresovani za maglovite oblake oko dalekih zvezda?
Protoni, neutroni, elektroni, fotoni – većini nas su poznata imena barem nekih od ovih sitnih čestica. Aksion je manje poznat, i to iz dobrog razloga: u ovom trenutku to je samo hipotetički tip čestice – onaj koji još niko nije otkrio.
Nazvan po brendu sapuna, njegovo postojanje je prvi put pretpostavljeno 1970-ih, da bi se rešio problem – otuda i referenca sapuna – u našem razumevanju jedne od čestica koje smo mogli veoma dobro da posmatramo: neutrona. Međutim, iako su teoretski veoma lepe, da su ovi aksioni postojali, bili bi izuzetno lagani, što ih čini veoma teškim za otkrivanje u eksperimentima ili posmatranjima.
Danas su aksioni takođe poznati kao kandidati za objašnjenje tamne materije, jedne od najvećih misterija u savremenoj fizici. Mnogi različiti dokazi sugerišu da je otprilike 85% sadržaja materije u našem univerzumu „tamno“, što jednostavno znači da se ne sastoji od bilo koje vrste materije koju poznajemo i trenutno možemo da posmatramo.
Umesto toga, postojanje tamne materije se zaključuje samo indirektno kroz gravitacioni uticaj koji vrši na vidljivu materiju. Na sreću, to ne znači automatski da tamna materija uopšte nema drugih interakcija sa vidljivom materijom, ali ako takve interakcije postoje, njihova snaga je nužno mala. Kao što ime govori, bilo kojeg održivog kandidata za tamnu materiju je neverovatno teško direktno posmatrati.
Stavljajući jedan i jedan zajedno, fizičari su shvatili da bi aksion mogao biti upravo ono što traže za rešavanje problema tamne materije. Čestica koja još nije primećena, koja bi bila izuzetno lagana i imala bi veoma slabe interakcije sa drugim česticama… da li bi aksioni mogli biti barem deo objašnjenja tamne materije?
Ideja o aksionu kao čestici tamne materije je lepa, ali u fizici ideja je zaista lepa samo ako ima vidljive posledice. Da li bi ipak postojao način da se posmatraju aksioni, pedeset godina nakon što je njihovo moguće postojanje prvi put predloženo?
Kada su izloženi električnim i magnetnim poljima, očekuje se da će aksioni moći da se pretvore u fotone — čestice svetlosti — i obrnuto. Svetlost je nešto što znamo kako da posmatramo, ali kao što je pomenuto, odgovarajuća snaga interakcije treba da bude veoma mala, a samim tim i količina svetlosti koju aksioni generalno proizvode. To jest, osim ako ne uzmemo u obzir okruženje koje sadrži zaista ogromnu količinu aksiona, idealno u veoma jakim elektromagnetnim poljima.
Ovo je navelo istraživače da razmotre neutronske zvezde, najgušće poznate zvezde u našem univerzumu. Ovi objekti imaju masu sličnu onoj našeg Sunca, ali su komprimovani u zvezde veličine 12 do 15 kilometara.
Takve ekstremne gustine stvaraju jednako ekstremno okruženje koje, posebno, takođe sadrži ogromna magnetna polja, milijarde puta jača od bilo kojeg koje nalazimo na Zemlji. Nedavna istraživanja su pokazala da ako postoje aksioni, ova magnetna polja omogućavaju neutronskim zvezdama da masovno proizvode ove čestice blizu njihove površine.
U svom prethodnom radu, autori su se fokusirali na aksije koje su nakon proizvodnje pobegle od zvezde — izračunali su količine u kojima će se ovi aksioni proizvoditi, koje putanje će pratiti i kako bi njihovo pretvaranje u svetlost moglo da dovede do slabog, ali potencijalno vidljivog signal.
Ovog puta razmatraju aksione koji ne uspevaju da pobegnu — one koje, uprkos svojoj maloj masi, hvata ogromna gravitacija neutronske zvezde.
Zbog veoma slabih interakcija aksiona, ove čestice će ostati okolo, i na vremenskim skalama do miliona godina će se akumulirati oko neutronske zvezde. Ovo može rezultirati formiranjem veoma gustih oblaka aksiona oko neutronskih zvezda, koji pružaju neke neverovatne nove mogućnosti za istraživanje aksiona.
U svom radu, istraživači proučavaju formiranje, kao i svojstva i dalju evoluciju ovih aksionih oblaka, ističući da bi oni trebali, a u mnogim slučajevima i moraju postojati.
U stvari, autori tvrde da ako postoje aksioni, aksioni oblaci treba da budu generički (za širok spektar aksionskih svojstava oni bi trebalo da se formiraju oko većine, možda čak i svih, neutronskih zvezda), oni bi uopšte trebali biti veoma gusti (formirajući možda gustinu dvadeset redova veličine veće od lokalne gustine tamne materije), i zbog toga bi trebalo da dovedu do moćnih opservacijskih potpisa.
Potonji potencijalno dolaze u više vrsta, od kojih autori razmatraju dva: kontinuirani signal koji se emituje tokom velikog dela životnog veka neutronske zvezde, ali i jednokratni prasak svetlosti na kraju života neutronske zvezde, kada prestane da proizvodi njegovo elektromagnetno zračenje. Oba ova potpisa mogu se posmatrati i koristiti za ispitivanje interakcije između aksiona i fotona izvan trenutnih granica, čak i korišćenjem postojećih radio teleskopa.
Iako do sada nisu primećeni aksioni oblaci, sa novim rezultatima znamo veoma precizno šta da tražimo, što čini detaljnu potragu za aksionima mnogo izvodljivijom. Iako je glavna tačka na listi obaveza stoga „potraga za aksionim oblacima“, rad takođe otvara nekoliko novih teorijskih puteva za istraživanje.
Kao prvo, jedan od autora je već uključen u prateći rad koji proučava kako aksioni oblaci mogu da promene dinamiku samih neutronskih zvezda. Drugi važan budući pravac istraživanja je numeričko modeliranje aksionih oblaka: ovaj rad pokazuje veliki potencijal za otkrivanje, ali je potrebno više numeričkog modeliranja da bi se još preciznije znalo šta tražiti i gde.
Konačno, sadašnji rezultati su svi za pojedinačne neutronske zvezde, ali mnoge od ovih zvezda se pojavljuju kao komponente binarnih sistema—ponekad zajedno sa drugom neutronskom zvezdom, ponekad zajedno sa crnom rupom. Razumevanje fizike aksionih oblaka u takvim sistemima, i potencijalno razumevanje njihovih posmatračkih signala, bilo bi veoma vredno.
Stoga je ovaj rad važan korak u novom i uzbudljivom istraživačkom pravcu. Potpuno razumevanje aksionih oblaka zahtevaće komplementarne napore iz više grana nauke, uključujući (astro)fiziku čestica, fiziku plazme i posmatračku radio astronomiju.
Ovaj rad otvara ovo novo, međudisciplinarno polje sa puno mogućnosti za buduća istraživanja.
