Konečně víme, kde hledat nejhledanější částici vesmíru

Neutronové hvězdy se zálibou v extrémním otáčení by mohly produkovat jednu z nejvyhledávanějších částic ve vesmíru. Tyto elementární částice se nazývají axiony a doposud jsou pouze hypotetické.

Pokud by se nám je však podařilo najít, mohli bychom vyřešit některé z největších problémů ve vesmíru, včetně identity přinejmenším jednoho druhu temné hmoty. Tyto rychle rotující hvězdy by měly být natolik účinné při zachycování axionů, že by tyto nepolapitelné částice mohly být zachyceny v dostatečně velkém množství, aby je bylo možné konečně detekovat. A to by nám poskytlo několik důležitých informací o povaze a vlastnostech axionů, například o jejich hmotnosti.

Astronomové hledají vodítka o axionech od doby, kdy fyzikové v 70. letech minulého století navrhli jejich existenci. Předpokládá se, že podobně jako neutrina slabě interagují s jinou hmotou, což ztěžuje jejich detekci. Pokud se však nacházejí v určitém rozmezí hmotností, předpokládá se, že se chovají přesně jako temná hmota a přispívají k výrazným gravitačním efektům, které nelze vysvětlit pouze na základě množství normální hmoty ve vesmíru. Teoreticky se předpokládá, že axiony se v přítomnosti dostatečně silného magnetického pole snadno rozpadají na dvojice fotonů, čímž se účinně zviditelní. Objev nadbytečného světla bez snadno určitelného zdroje v blízkosti silného magnetického pole může být známkou rozpadu axionů.

Neutronové hvězdy mají neuvěřitelně silná magnetická pole. Tyto objekty jsou jádry masivních hvězd, které se po výbuchu supernovy zhroutily do horkých, ultrahustých hmot, které jsou tak namačkané na sebe, že se chovají podobně jako jedno atomové jádro o velikosti města. Magnetické pole vycházející z tohoto objektu je bilionkrát silnější než zemské, dost silné na to, aby vás zabilo, pokud se k němu dříve nedostanou jiné vlastnosti neutronových hvězd. Pulsar je typ neutronové hvězdy s další vychytávkou: otáčí se šíleně vysokou rychlostí, často až v milisekundových měřítkách. Přitom z pólů pulzaru vyrážejí silné paprsky rádiového záření, takže se zdá, že pulzuje v prostoru jako kosmický maják. Tato rotace má ještě jeden efekt: zdá se, že zvyšuje sílu magnetického pole neutronové hvězdy.

Fyzik Dion Noordhuis z Amsterodamské univerzity a jeho kolegové loni publikovali práci, v níž zjistili, že tyto rychle rotující hvězdy jsou schopny každou minutu vyprodukovat padesátimístný počet axionů. Při úniku z hvězdy by tyto axiony procházely jejím magnetickým polem a přeměňovaly se na fotony, čímž by se pulsar stal jen o něco málo jasnějším, než by měl být. Při analýze řady pulsarů se jim nepodařilo detekovat žádné světlo navíc. To neznamená, že tyto hypotetické částice neexistují, jen to, že pokud jsou axiony přítomny, existují přísnější omezení pro signál, který mohou produkovat.

Podle nové práce, která navazuje na předchozí výzkum, by měly signál produkovat i axióny zachycené extrémní gravitací hvězdy. V průběhu času, možná v řádu milionů let, by se axiony měly hromadit v blízkosti pulzaru po celou dobu existence neutronové hvězdy a vytvářet slabou mlhavou vrstvu na povrchu hvězdy.

Podle analýzy týmu by tato mračna axionů, pokud existují, měla být pro neutronové hvězdy normální, což znamená, že jsou přítomna u většiny, ne-li u všech. A měly by být extrémně husté, zhruba o 20 řádů vyšší než hustota místní temné hmoty, což znamená, že by zase měly produkovat detekovatelnou signaturu při volném úniku fotonů. Nevíme jistě, jakou podobu by tato signatura měla, ale tým přišel se dvěma hlavními možnostmi. Jednou z nich je spojitý signál, úzká čára v rádiovém spektru pulzaru na frekvenci odpovídající hmotnosti axionu. Nevíme, jaká je tato hmotnost, ale nepřítomnost čáry ve spektru by ji mohla zúžit.

Druhým je záblesk světla na konci života neutronové hvězdy, v okamžiku, kdy přestane vyzařovat záření. Předpokládá se, že tento proces bude přirozeně trvat biliony let, vesmír ještě není dost starý na to, aby k němu došlo, takže je nepravděpodobné, že bychom v brzké době pozorovali nějaké axionové záblesky z umírajících neutronových hvězd.

Proto je kontinuální signál tou nejlepší sázkou. Stejně jako v případě přebytku světla se vědcům nepodařilo najít důkazy o existenci mraku axionů neutronových hvězd v okolí blízkých pulsarů. Nedetekce však umožnila zatím nejsilnější omezení hmotnosti axionu v určitém rozmezí, aniž by se spoléhali na předpoklad, že axiony jsou temnou hmotou. Výzkum také otevírá cestu pro budoucí hledání a nabízí nám nové způsoby, jak hledat a pochopit vlastnosti této záhadné a nepolapitelné částice.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: journals.aps.org, astronomy.com, chandra.harvard.edu