Supermasivní černé díra v centru kupy galaxií v Perseovi. Kredit: NASA/CXC/Univ. of Cambridge/C. Reynolds et al. 2020.

Jednou z klíčových myšlenek soudobé fyziky je, že všechny známé síly, částice a interakce může propojit jediná všeobjímající teorie, přiléhavě přezdívaná „Teorie všeho“ čili „Theory of everything“. Zatím žádná taková teorie nepřevzala vládu nad světem fyziky, ale již existuje několika více či méně nadějných kandidátů.

Nejznámějším z těchto kandidátů je teorie strun. Mezi fyziky koluje řada verzí této teorie. O strunách se hodně spekuluje, ale experimentálně se testovaly zatím jen velice málo. Nedávno se do toho pustili astronomové s rentgenovou observatoří Chandra. Podle všeho se jim povedl významný pokrok, který ale bohužel příliš nepotěší milovníky axionů.

Chris Reynolds. Kredit: University of Cambridge.

Chandra v tomto případě pozorovala kupy galaxií a hledala v nich doklad přítomnosti jednoho typu částic, které předpovídá teorie strun. Až donedávna se nezdálo, že by rentgenová astronomie mohla nějak významněji přispět k výzkumu strunových teorií. Jak ale říká vedoucí výzkumu Christopher Reynolds z britské University of Cambridge, pokud by se jim povedlo tyto částice nakonec detekovat, mohlo by to zásadně změnit fyziku.

Reynoldsův tým hledal částice z okruhu axionů. To jsou zatím stále hypotetické částice, které by měly mít výjimečně nízkou hmotnost. Odhady se pohybují v rozmezí mezi asi tak miliontinou hmoty elektronu a zcela nulovou hmotností. Část fyziků se zároveň domnívá, že by axiony mohly být tím usilovně hledaným vysvětlením pro temnou hmotu, která, jak známo, vyplňuje vesmír, jen ji zatím nikdo neviděl.

Chandra stále v akci. Kredit: NASA/CXC & J.Vaughan.

Pokud ultralehké axiony existují, tak by jednou z jejich pozoruhodných vlastností mělo být, že se při průchodu magnetickým polem mohou občas přeměnit na fotony. Zároveň by to platilo i naopak, že se fotony za jistých okolností mohou změnit na axiony. Jak často by takové změny probíhaly, by záleželo na „převoditelnosti“ (convertibility) axionů. Aby to nebylo příliš jednoduché. Někteří vědci kromě samotných axionů, které mají mít stále stejnou převoditelnost napříč rozsahem hmotností, také navrhují existenci celé třídy axionům podobných částic (axion-like particles), které by mohly mít různé převoditelnosti při stejné hmotnosti.

Reynolds a spol. využili kupy galaxií jako vesmírný experiment, který běží v nepředstavitelné vzdálenosti od nás. V kupách galaxií se klenou nezměrná magnetická pole, a také tam jsou jasné zdroje rentgenového záření. Pokud by tam docházelo k přeměně axionům podobných částic na fotony, tak bychom to měli být schopní detekovat.

Badatelé s observatoří Chandra pozorovali po dobu 5 dní rentgenové záření, která vydává hmota padající do chřtánu supermasivní černé díry v centru kupy galaxií v Perseovi. Dlouhodobá pozorování a přítomnost jasných rentgenových zdrojů přitom zaručovaly, že se v pozorovaném záření projeví působení axionům podobných částic, pokud samozřejmě existují.

Nicméně, Reynolds s kolegy vůbec nic nedetekovali. A to šlo o zatím nejvíce citlivé pozorování tohoto druhu. Díky jejich výsledkům můžeme vyloučit, že existuje většina typů axionům podobných částic, až do nepatrné hmotnosti odpovídající miliontině miliardtiny hmotnosti elektronu. Jak sami badatelé podotýkají, neznamená to ještě definitivně, že axionům podobné částice neexistují. Ale rozhodně jim teď velmi pokazili vyhlídky. Je to pořádný zářez do teorií strun.

Jedním z možných vysvětlení je, že axionům podobné částice prostě neexistují. Další možnost podle autorů studie spočívá v tom, že tyhle částice mají převoditelnost ještě nižší, než jaký byl práh citlivosti zmíněných pozorování. Anebo, mají axionům podobné částice vyšší hmotnost, nežli s jakou tato pozorování počítala. Další výzkum určitě prozradí více.

Literatura

Physorg 18. 3. 2020, Astrophysical Journal online 12. 2. 2020.