Nieuchwytna materia
Za sprawą dekad obserwacji, już dawno temu, bo w latach 30. XX wieku astronomowie doszli do wniosku, że Wszechświat jest wypełniony tajemniczymi, niewidzialnymi cząsteczkami. Wówczas astrofizycy zaobserwowali bowiem, że odległe galaktyki poruszają się znacznie szybciej, niż ich materia powinna im pozwalać. Ci zaproponowali zatem, że w obrębie tych galaktyk musi być znacznie więcej masy, niż są w stanie zaobserwować, a niewidoczną materię określili mianem ciemnej materii.
Na przestrzeni lat pojawiały się kolejne dowody wskazujące na istnienie ciemnej materii. Mimo to do dziś nie udało się cząsteczek ciemnej materii wykryć. Ta nie emituje i nie odbija promieniowania elektromagnetycznego, a o jej istnieniu wiemy tylko za sprawą jej grawitacyjnego wpływu na światło i inne formy materii.
Odkrycie sposobu na bezpośrednie wykrycie ciemnej materii byłoby niesamowitym osiągnięciem. Dokonanie tego osiągnięcia utrudnia jednak fakt, jak niewiele na temat ciemnej materii wiemy. Nie wiemy, nawet z jakich cząstek się składa, a takich hipotetycznych cząstek, które mogą je tworzyć, zaproponowano wiele. Do nich należą superciężkie grawitina, sterylne neutrina, ciemne fotory, słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP) czy wspomniane aksjony.
Astronomiczna nadzieja
Aksjony, o ile istnieją, są bardzo lekkie, nie posiadają ładunku elektrycznego, a we Wszechświecie tworzą fale. Najciekawsze na ich temat jest jednak to, że te, w przeciwieństwie do pozostałych hipotetycznych cząsteczek ciemnej materii, sporadycznie powinny wchodzić w interakcje z innymi formami materii – nie tylko za pośrednictwem grawitacji, ale również, na przykład, elektromagnetyzmu.
W przeszłości prowadzono eksperymenty, które miały pozwolić na wykrycie aksjonów wytwarzających pola elektryczne lub magnetyczne w pewnych warunkach. W ramach najnowszych badań astrofizycy porzucili jednak swoje laboratoria na rzecz obserwacji gwiazd neutronowyuch. Dlaczego?
Jedną z istotnych właściwości aksjonów jest to, że te, po napotkaniu silnego pola elektromagnetycznego, powinny na krótki czas zamienić się w fotony – cząsteczki światła, które można z łatwością wykryć. Tymczasem, gwiazdy neutronowe generują jedne z najsilniejszych pól magnetycznych we Wszechświecie. Na dodatek, ich potężna grawitacja powinna przyciągać spore ilości aksjonów. Zatem, astrofizycy doszli do wniosku, że gwiazdy neutronowe są idealnymi obiektami, które należy obserwować w celu zauważenia aksjonów zamieniających się w fotony.
To dopiero początek
Oczekuje się, że zamiana aksjonu w foton zaowocowałaby emisją fal radiowych o konkretnej częstotliwości, zależnej od masy aksjonu. Z tego powodu badacze przeanalizowali dane pochodzące z dwóch radioteleskopów – Radioteleskopu Green Bank im. Roberta C. Byrda w USA oraz Radioteleskopu Effelsberg w Niemczech.
W ramach swoich prac naukowcy pragnęli odnaleźć potencjalnie wykryte podczas obserwacji gwiazd neutronowych emisje radiowe o częstotliwości 1 GHz. Promieniowanie radiowe o takiej częstotliwości wytworzyłyby aksjony o masach od 5 do 11 mikroelektronowoltów. Niestety, analiza danych pokazała, że takich sygnałów nie wykryto.
Mimo porażki to nie koniec, a dopiero początek badań nad emisjami radiowymi powiązanymi z aksjonami. Ostatnia analiza pozwoliła jedynie wykluczyć istnienie aksjonów w powyższym przedziale masy. Kto wie, może kolejne takie eksperymenty zbliżą nas do bezpośredniego wykrycia ciemnej materii.
Źródło: Physical Review Letters, fot. tyt. Rafael Jean-Luc Alexandre/Daniel Molybdenum/NASA’s Goddard Space Flight Center