Nieuw onderzoek onderzoekt de mogelijkheid dat donkere materie bestaat uit theoretische deeltjes die axionen worden genoemd, waarbij de nadruk ligt op het detecteren ervan via het extra licht dat door pulsars wordt uitgezonden. Voorlopige waarnemingen moeten de axies nog bevestigen, maar het onderzoek is cruciaal voor het begrijpen van donkere materie.

De kernvraag in de huidige zoektocht naar donkere materie is: waaruit bestaat donkere materie? Een mogelijk antwoord is dat donkere materie bestaat uit deeltjes die axionen worden genoemd. Recent onderzoek door astrofysici van de Universiteit van Amsterdam en Princeton University suggereert dat als donkere materie inderdaad uit axionen bestaat, deze zich zou kunnen manifesteren in de vorm van een zwakke extra gloed van pulserende sterren.

Donkere materie is misschien wel het heetste ingrediënt in ons universum. Verrassend genoeg wordt aangenomen dat deze mysterieuze vorm van materie, die natuurkundigen en astronomen tot nu toe niet hebben kunnen ontdekken, een groot deel van de materie in het universum uitmaakt. Er wordt vermoed dat maar liefst 85% van de materie in het heelal ‘donkere materie’ is, die momenteel alleen kan worden gedetecteerd door de zwaartekracht die deze uitoefent op andere astronomische objecten. Wetenschappers willen begrijpelijkerwijs meer. Ze willen donkere materie daadwerkelijk zien – of in ieder geval de aanwezigheid ervan direct detecteren, in plaats van deze alleen maar af te leiden uit zwaartekrachtseffecten. Ze willen natuurlijk ook weten wat donkere materie is.

Los twee problemen op

Eén ding is duidelijk: donkere materie kan niet hetzelfde materiaal zijn waar jij en ik van gemaakt zijn. Als dat het geval zou zijn, zou donkere materie zich als gewone materie gedragen: het zou objecten zoals sterren vormen, gloeien en niet langer ‘donker’ zijn. Wetenschappers zijn dus op zoek naar iets nieuws: een nog te ontdekken deeltje dat waarschijnlijk slechts zeer zwak interageert met de soorten deeltjes die we kennen, wat verklaart waarom dit onderdeel van onze wereld tot nu toe ongrijpbaar is gebleven.

We hebben veel aanwijzingen waar we naar moeten zoeken. Een populaire hypothese is dat donkere materie uit axionen kan bestaan. Dit hypothetische deeltjestype verscheen voor het eerst in de jaren zeventig om een ​​probleem op te lossen dat niets met donkere materie te maken had. Als een van de bouwstenen van gewone atomen is de scheiding tussen positieve en negatieve ladingen binnen het neutron verrassend klein. Wetenschappers willen zeker weten waarom. Het blijkt dat een tot nu toe onontdekt deeltje zeer zwak interageert met een component van het neutron, waardoor precies dit effect ontstaat. Latere Nobelprijswinnaar Frank Wilczek gaf het nieuwe deeltje een naam: het axion - niet alleen qua naam vergelijkbaar met andere deeltjes zoals protonen, neutronen, elektronen en fotonen, maar ook geïnspireerd op een waspoeder met dezelfde naam. Axions zijn ontstaan ​​om een ​​probleem op te lossen.

Hoewel het nog nooit is ontdekt, kan het in feite twee problemen oplossen. Verschillende fundamentele deeltjestheorieën, waaronder de snaartheorie (een van de belangrijkste kandidaten om alle krachten in de natuur te verenigen), lijken het mogelijke bestaan ​​van axionachtige deeltjes te voorspellen. Als er axions bestaan, kunnen deze dan ook een deel of zelfs alle ontbrekende donkere materie vormen? Misschien wel, maar een andere vraag die al het onderzoek naar donkere materie teistert, geldt evenzeer voor axionen: als dat zo is, hoe kunnen we ze dan zien? Hoe maak je ‘donkere’ dingen zichtbaar?

Het verlichten van donkere materie

Gelukkig lijkt er voor axions een manier te zijn om dit raadsel te omzeilen. Als de theorieën die axionen voorspellen correct zijn, dan wordt niet alleen verwacht dat ze in grote aantallen in het universum zullen worden geproduceerd, maar dat sommige axionen ook in licht kunnen worden omgezet onder invloed van sterke elektromagnetische velden. Zodra er licht is, kunnen we zien. Zou dit de sleutel kunnen zijn tot het detecteren van axionen – en dus donkere materie?

Om deze vraag te beantwoorden moeten wetenschappers zich eerst afvragen: waar komen de sterkste bekende elektrische en magnetische velden in het universum voor? Het antwoord: in het gebied rond een roterende neutronenster, ook wel pulsar genoemd. Deze pulsars – een afkorting van ‘pulsar’ – zijn compacte objecten met ongeveer dezelfde massa als de zon, maar met een straal die ongeveer 100.000 keer kleiner is, slechts ongeveer 10 kilometer. Pulsars zijn zo klein, maar draaien op extreem hoge frequenties en zenden heldere, smalle radiostralen uit langs hun rotatieas. De straal van de pulsar fungeert als een vuurtoren en kan over de aarde bewegen, waardoor het gemakkelijk wordt om de pulsar waar te nemen.

Er zit echter meer achter de enorme spin van de pulsar. Het verandert de neutronenster in een extreem krachtige elektromagneet. Dit zou op zijn beurt kunnen betekenen dat pulsars zeer efficiënte axionfabrieken zijn. Een gewone pulsar kan 50 cijfers axionen per seconde produceren. Door de sterke elektromagnetische velden rondom de pulsar kunnen sommige van deze axionen worden omgezet in waarneembaar licht. Dat wil zeggen: als er axions bestonden, maar nu kan dit mechanisme worden gebruikt om die vraag te beantwoorden. Kijk maar naar pulsars om te zien of ze extra licht uitstralen, en zo ja, bepaal of dat extra licht misschien van axionen komt.

Simuleer een subtiele gloed

Op wetenschappelijk gebied is het zeker niet zo eenvoudig om een ​​dergelijke observatie daadwerkelijk te maken. Het licht dat door axionen wordt uitgezonden, kan worden gedetecteerd als radiogolven: slechts een klein deel van het totale licht dat deze heldere kosmische bakens naar ons uitstralen. We zouden heel precies moeten weten hoe een pulsar zonder axionen en een pulsar met axionen eruit ziet om het verschil te kunnen zien – laat staan ​​het verschil te kwantificeren en te vertalen naar een maatstaf voor de hoeveelheid donkere materie.

Dat is precies wat een team van natuurkundigen en astronomen nu heeft gedaan. Door samen te werken in Nederland, Portugal en de Verenigde Staten heeft het onderzoeksteam een ​​alomvattend theoretisch raamwerk opgebouwd dat een gedetailleerd inzicht biedt in hoe axionen ontstaan, hoe ze ontsnappen aan de zwaartekracht van een neutronenster en hoe ze tijdens het ontsnappingsproces worden omgezet in energiezuinige radiostraling.

Deze theoretische resultaten werden vervolgens op een computer gezet om de productie van axionen rond pulsars te simuleren met behulp van de modernste numerieke simulaties van plasma's, die oorspronkelijk waren ontwikkeld om de fysica te begrijpen achter hoe pulsars radiogolven uitzenden. Eenmaal virtueel gegenereerd, wordt de voortplanting van axionen in het elektromagnetische veld van de neutronenster gesimuleerd. Hierdoor konden de onderzoekers de daaropvolgende productie van radiogolven kwantitatief begrijpen en modelleren hoe dit proces extra radiosignalen oplevert bovenop de inherente emissies die door de pulsar zelf worden geproduceerd.

Test het axiale model

De resultaten van de theorie en simulaties werden vervolgens aan de eerste observationele test onderworpen. Met behulp van observaties van 27 nabijgelegen pulsars vergeleken de onderzoekers de waargenomen radiogolven met modellen om te bepalen of een gemeten overmaat bewijs kon leveren voor de aanwezigheid van axionen. Helaas is het antwoord ‘nee’ – of, optimistischer, ‘nog niet’. Axions verscheen niet meteen voor ons, maar misschien is dat niet wat we hadden verwacht. Als donkere materie zijn geheimen zo gemakkelijk zou prijsgeven, zou deze al lang geleden zijn waargenomen.

Dus nu kunnen we alleen maar hopen axionen te vinden in toekomstige waarnemingen. Tegelijkertijd is het feit dat er tot nu toe geen radiosignalen van axionen zijn waargenomen op zichzelf een interessant resultaat. De eerste vergelijking tussen gesimuleerde en echte pulsars stelt de strengste grenzen tot nu toe aan de interactie van axionen met licht.

Ons uiteindelijke doel is natuurlijk niet alleen om grenzen te stellen, maar ook om te bewijzen dat axionen bestaan, of om ervoor te zorgen dat axionen helemaal geen onderdeel kunnen zijn van donkere materie. De nieuwe resultaten zijn slechts een eerste stap in deze richting; ze zijn nog maar het begin van een nieuw, zeer interdisciplinair veld dat het potentieel heeft om de studie van axionen aanzienlijk te bevorderen.

Referenties "Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu, Samuel J. Witte, Alexander Y.C hen), Fábio Cruz en Christoph Weniger, "New constraints on axions geproduceerd in pulsar polar cap cascades", 15 september 2023, "Physical Review Letters".

DOI:10.1103/PhysRevLett.131.111004

Samengestelde bron: ScitechDaily