Iskanje temne snovi z eksplozijami supernov

11. junij 2020

Narava temne snovi, ki predstavlja več kot 85% vse snovi v vesolju, ostaja skrivnost. Mnogi modeli napovedujejo, da je temna snov sestavljena iz doslej še neodkritih osnovnih delcev. Njihove sledi iščejo z več eksperimentalnimi projekti, ki potekajo na Zemlji in v vesolju. Nova raziskava, pri kateri je sodelovala Tanja Petrushevska iz Centra za astrofiziko in kozmologijo Univerze v Novi Gorici, pa kaže, kako lahko raziskovalci za iskanje posebne vrste hipotetičnih delcev temne snovi uporabijo eksplozije zvezd.

Ena od hipotez pravi, da je temna snov vsaj deloma sestavljena iz še neodkritih delcev imenovanih aksioni. Ti delci bi lahko bili lažji od drugih že znanih osnovnih delcev (z izjemo nevtrinov) in lahko spreminjajo svojo “naravo” – v elektromagnetnem polju se lahko spreminjajo v fotone. Z drugimi besedami, ko se gibljejo v magnetnem polju ali v bližini nabitih delcev, se lahko aksioni spremenijo v fotone in obratno, fotoni v aksione.

Ta posebna lastnost ponuja zanimivo možnost, pri kateri lahko aksioni nastanejo ob eksploziji masivne zvezde ob koncu njenega življenja – pojavu, ki mu pravimo supernova. V središču eksplozije so ioni in protoni tesno stisnjeni skupaj, kar omogoči visoko-energijskim fotonom gama svetlobe, da se spremenijo v aksione. V tej aksionski obliki lahko hitro zapustijo gosto jedro in se na svoji dolgi poti skozi magnetna polja v vesolju polagoma vrnejo v obliko fotonov gama svetlobe.

Ko tako nastali kratek izbruh sevanja gama doseže Zemljo, ga lahko detektira instrument Large Area Telescope (LAT) na satelitu Fermi, ki nenehno pregleduje celotno nebo v gama svetlobi in v vsakem trenutku opazuje okoli 20% neba. Težava pa je nepredvidljivost eksplozij supernov in s tem nepoznavanje trenutka, kdaj bo do tega, po teoretičnih napovedih le nekaj deset sekund dolgega izbruha, prišlo.

Omenjena študija išče izbruhe gama svetlobe sprožene zaradi nastanka aksionov tako, da išče korelacije med dogodki opazovanimi z instrumentom Fermi LAT in podatki s tradicionalnih optičnih teleskopov, ki izvajajo preglede neba namenjene iskanju supernov. Ti pregledi neba zaznajo na stotine supernov letno. S teoretičnim modeliranjem ugašanja eksplozij supernov sta Manuel Meyer iz Centra za fiziko astrodelcev v Erlangnu in Tanja Petrushevska z Univerze v Novi Gorici uspela napovedati časovna okna, v katerih lahko pričakujemo izbruhe gama svetlobe, in znotraj njih tudi izvedla iskanje v podatkih dobljenih s Fermi LAT. Ker v teh časovnih oknih izbruhov nista našla, sta lahko določila zgornjo mejo za moč interakcije med aksioni in fotoni.

“Čeprav najina študija dopušča možnost, da delci aksionov tvorijo celotno temno snov, sva z njo preizkusila vrednosti njihovih potencialnih lastnosti (moč interakcije in maso aksionov), ki doslej še niso bile raziskane,” pravi Meyer, ki je bil odgovoren za analizo sevanja gama. “Najina študija za faktor dva izboljšuje prejšnje zgornje meje, postavljene na podlagi ne-detekcije izbruhov sevanja gama iz supernove, ki je leta 1987 eksplodirala v Velikem Magellanovem oblaku”.

Raziskovalca pravita, da ostaja 10% možnosti, da Fermi LAT ni opazoval pravega dela neba v pravem trenutku, torej ko se je izbruh zgodil. “S pregledi neba kot je Zwicky Transient Facility in Observatorij Vere Rubin, ki je še v gradnji in pri katerem sodeluje tudi Univerza v Novi Gorici, je verjetnost, da bomo ob pravem času s Fermijem opazovali vsaj eno supernovo, skoraj stoodstotna,” pojasnjuje Tanja Petrushevska, ki raziskuje optične lastnosti supernov. In dodaja, da je to “ena izmed zanimivejših plati projekta: odpira nov način uporabe eksplozij supernov v drugih galaksijah za raziskovanje temeljne fizike.”

Raziskovalca, ki se poznata iz obdobja svojega delovanja na Univerzi v Stockholmu, upata, da bodo njuni rezultati spodbudili tesnejše sodelovanje med skupinami, ki izvjajajo optične preglede neba in skupinami, ki uporabljajo teleskope za gama svetlobo. V preteklosti med njihovim delom ni bilo veliko prekrivanja, vendar raziskovalca upata, da bodo njune raziskave pomagale to spremeniti.

Povezava do članka: “https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.231101”

Foto: Maedeh Mohammadpour Mir