Centralno pitanje u tekućem lovu na tamnu materiju je: od čega je napravljena? Jedan od mogućih odgovora je da se tamna materija sastoji od čestica poznatih kao aksioni. Tim astrofizičara, predvođen istraživačima sa univerziteta u Amsterdamu i Prinstonu, sada je pokazao da ako se tamna materija sastoji od aksiona, može se otkriti u obliku suptilnog dodatnog sjaja koji dolazi od pulsirajućih zvezda. Njihov rad je objavljen u časopisu Physical Review Letters.
Tamna materija je možda najtraženiji sastojak našeg univerzuma. Iznenađujuće, pretpostavlja se da ovaj misteriozni oblik materije, koji fizičari i astronomi do sada nisu uspeli da otkriju, čini ogroman deo onoga što je tamo.
Sumnja se da je najmanje 85% materije u univerzumu „tamno“, što je trenutno primetno samo kroz gravitaciono privlačenje koje vrši na druge astronomske objekte. Razumljivo, naučnici žele više. Oni žele da zaista vide tamnu materiju – ili u najmanju ruku, direktno detektuju njeno prisustvo, a ne samo da zaključuju na osnovu gravitacionih efekata. I, naravno: žele da znaju šta je to.
Jedno je jasno: tamna materija ne može biti ista vrsta materije od koje smo ti i ja napravljeni. Ako bi to bio slučaj, tamna materija bi se jednostavno ponašala kao obična materija — formirala bi objekte poput zvezda, svetlela bi i više ne bi bila „tamna“. Naučnici stoga traže nešto novo — vrstu čestice koju još niko nije otkrio, a koja verovatno veoma slabo reaguje sa tipovima čestica koje poznajemo, objašnjavajući zašto je ovaj sastojak našeg sveta do sada ostao neuhvatljiv.
Postoji mnogo naznaka gde tražiti. Jedna popularna pretpostavka je da tamna materija može biti napravljena od aksiona. Ova hipotetička vrsta čestica je prvi put uvedena 1970-ih da bi se rešio problem koji nije imao nikakve veze sa tamnom materijom. Razdvajanje pozitivnih i negativnih naelektrisanja unutar neutrona, jednog od gradivnih blokova običnih atoma, pokazalo se neočekivano malim. Naučnici su naravno želeli da znaju zašto.
Ispostavilo se da prisustvo do sada neotkrivene vrste čestica, koja veoma slabo reaguje sa sastojcima neutrona, može izazvati upravo takav efekat. Kasniji dobitnik Nobelove nagrade Frenk Vilček smislio je naziv za novu česticu: aksion — ne samo slično drugim imenima čestica poput protona, neutrona, elektrona i fotona, već je takođe inspirisano deterdžentom za veš istog imena. Akion je bio tu da reši problem.
U stvari, uprkos tome što nikada nije otkriven, mogao bi očistiti dva. Nekoliko teorija za elementarne čestice, uključujući teoriju struna, jednu od vodećih teorija kandidata za ujedinjavanje svih sila u prirodi, čini se da predviđaju da bi čestice slične aksionima mogle postojati. Da su aksioni zaista bili tamo, da li bi oni takođe mogli da čine deo ili čak celu tamnu materiju koja nedostaje? Možda, ali dodatno pitanje koje je proganjalo sva istraživanja tamne materije bilo je jednako važeće i za aksione: ako je tako, kako ih onda možemo videti? Kako učiniti nešto „mračno“ vidljivim?
Na sreću, čini se da za aksione možda postoji izlaz iz ove zagonetke. Ako su teorije koje predviđaju aksione tačne, ne samo da se očekuje da će se masovno proizvoditi u univerzumu, već bi se neke aksije takođe mogle pretvoriti u svetlost u prisustvu jakih elektromagnetnih polja. Kada bude svetlosti, možemo videti. Da li bi ovo mogao biti ključ za otkrivanje aksiona — a samim tim i za otkrivanje tamne materije?
Da bi odgovorili na to pitanje, naučnici su prvo morali da se zapitaju gde se u univerzumu javljaju najjača poznata električna i magnetna polja. Odgovor je: u regionima koji okružuju rotirajuće neutronske zvezde takođe poznate kao pulsari. Ovi pulsari — skraćeno za „pulsirajuće zvezde“ — su gusti objekti, sa masom približno istom masom našeg Sunca, ali radijusa koji je oko 100.000 puta manji, samo oko 10 km. Budući da su tako mali, pulsari se vrte sa ogromnim frekvencijama, emitujući svetle uske snopove radio emisije duž svoje ose rotacije. Slično kao kod svetionika, snopovi pulsara mogu da prođu kroz Zemlju, čineći pulsirajuću zvezdu lako uočljivom.
Međutim, ogroman obrt pulsara čini više. Pretvara neutronsku zvezdu u izuzetno jak elektromagnet. To bi zauzvrat moglo značiti da su pulsari veoma efikasne fabrike aksiona. Svake sekunde prosečan pulsar bi bio sposoban da proizvede 50-cifreni broj aksiona. Zbog jakog elektromagnetnog polja oko pulsara, deo ovih aksiona mogao bi da se pretvori u vidljivu svetlost. To jest: ako aksioni uopšte postoje—ali mehanizam se sada može koristiti za odgovor samo na to pitanje. Samo pogledajte pulsare, vidite da li emituju dodatnu svetlost, i ako emituju, utvrdite da li ova dodatna svetlost može da dolazi od aksija.
Kao i uvek u nauci, stvarno izvođenje takvog posmatranja naravno nije tako jednostavno. Svetlost koju emituju aksioni — koja se može detektovati u obliku radio talasa — bila bi samo mali deo ukupne svetlosti koju nam ovi svetli kosmički svetionici šalju. Potrebno je vrlo precizno znati kako bi izgledao pulsar bez aksiona i kako bi izgledao pulsar sa aksionima, da bi se mogla uočiti razlika – a kamoli da se ta razlika kvantificira i pretvori u mjerenje količine tame materija.
To je upravo ono što je tim fizičara i astronoma sada uradio. U saradnji između Holandije, Portugala i SAD, tim je konstruisao sveobuhvatan teorijski okvir koji omogućava detaljno razumevanje kako se aksioni proizvode, kako aksioni izbegavaju gravitaciono privlačenje neutronske zvezde i kako, tokom njihovog bekstva , pretvaraju se u radio zračenje niske energije.
Teorijski rezultati su zatim stavljeni na kompjuter za modeliranje proizvodnje aksiona oko pulsara, koristeći najsavremenije numeričke simulacije plazme koje su prvobitno razvijene da bi se razumela fizika koja stoji iza toga kako pulsari emituju radio talase. Jednom virtuelno proizvedeno, simulirano je širenje aksiona kroz elektromagnetna polja neutronske zvezde. Ovo je omogućilo istraživačima da kvantitativno shvate kasniju proizvodnju radio talasa i modeliraju kako bi ovaj proces obezbedio dodatni radio signal povrh unutrašnje emisije generisane iz samog pulsara.
Rezultati iz teorije i simulacije su zatim stavljeni na prvi opservacijski test. Koristeći zapažanja sa 27 obližnjih pulsara, istraživači su uporedili posmatrane radio talase sa modelima, da vide da li bilo koji izmereni višak može da pruži dokaz za postojanje aksiona. Nažalost, odgovor je bio „ne“ – ili možda optimističnije: „još ne“. Aksioni nam ne iskaču odmah, ali to možda i nije bilo za očekivati. Kada bi se tamna materija tako lako odrekla svojih tajni, već bi odavno bila primećena.
Stoga se nada za detekciju aksiona pušećim puškom sada oslanja na buduća posmatranja. U međuvremenu, trenutno neposmatranje radio signala iz aksiona je samo po sebi zanimljiv rezultat. Prvo poređenje između simulacija i stvarnih pulsara postavilo je najjače granice do sada na interakciju koju aksioni mogu imati sa svetlošću.
Naravno, krajnji cilj je učiniti više od postavljanja granica – to je ili pokazati da su aksioni tamo napolju, ili da se uveri da je krajnje malo verovatno da su aksioni uopšte sastavni deo tamne materije. Novi rezultati su samo prvi korak u tom pravcu; oni su samo početak onoga što bi moglo da postane potpuno novo i visoko međudisciplinarno polje koje ima potencijal da dramatično unapredi potragu za aksionima.
