Umělecká představa neutronové hvězdy RX J0806.4-4123. Kredit: NASA, ESA, and N. Tr’Ehnl (Pennsylvania State University).

Asi jen těžko si lze představit hezčí dárek pro astrofyziky i celou vědu jako takovou, než objev nových částic, které by mohly vysvětlit úpornou záhadu temné hmoty. Bohužel, jak se zdá, i letos bude pod stromečkem temné hmoty jenom uhlí. To ale neznamená, že se vědci nesnažili. Hon na temnou hmotu pokračuje, navzdory pandemii a všem možným nepřízním osudu.

Astrofyzici vymýšlejí obdivuhodné triky, s jejichž pomocí by rádi získali skalp temné hmoty. Do této kategorie rozhodně patří výzkum, který vedl Joshua W. Foster z americké University of Michigan, Ann Arbor. Jak to velmi pěkně říká originální název jejich publikace, hledali temnou hmotu v záři neutronových hvězd. Skenovali je kvůli jednomu typu kandidáta na temnou hmotu – axionům.

Legendární teleskop Green Bank. Kredit: NRAO/AUI/NSF.

Pokud temnou hmotu tvoří částice, tak by neměly být vidět. Na své okolí by měly působit prakticky jen gravitací. Najít něco takového je ale pochopitelně velice těžké. Tím spíš, když nikdo přesně neví, jak by taková částice měla vypadat. Proto se vyrojila spousta kandidátů na částice temné hmoty, často velmi exotických. Je to pestrá čeládka, od supertěžkých gravitin, přes sterilní neutrina a temné fotony, až po WIMPy (weakly interacting massive particles). Každý z těchto kandidátů přitom má poměrně unikátní vlastnosti.

Jedněmi z těch slibných jsou axiony. Pokud existují, tak by měly být lehké, elektricky neutrální a měly by plynout vesmírem ve vlnách. Oproti řadě dalších kandidátů na temnou hmotu jsou axiony výjimečné v tom, že by občas měly interagovat s běžnou hmotnou nejen gravitací, ale i prostřednictvím elektromagnetismu.

Effelsberg 100-m Radio Telescope. Kredit: Dr. Schorsch / Wikimedia Commons.

Axiony obvykle hledají pozemské experimenty. Vědci ale občas vymění exoticky světélkující prostředí laboratoří za hvězdné nebe. Využívají pozoruhodné přírodní experimenty, které pro nás připravil samotný vesmír. V tomto případě Fosterův tým použil neutronové hvězdy, které jsou pro astrofyziky něco jako kompaktní laboratoře extrémní fyziky. Rovněž využili další z předpovědí o axionech, podle které by se axiony v silných elektromagnetických polích občas měly samovolně přeměnit na fotony, které naopak detekujeme poměrně snadno.

Neuronové hvězdy mají extrémně silná magnetická pole. Jejich mohutná gravitace by také mohla přitáhnout velké množství axionů. Proto Fosterův tým považuje neutronové hvězdy za ideální místo pro hledání axionů. Mělo by tam docházet k přeměně axionů na fotony, což by se projevilo velmi úzkým píkem rádiových vln na určité frekvenci, která by závisela na hmotnosti axionů.

Badatelé analyzovali data ze dvou radioteleskopů, amerického Robert C. Byrd Green Bank Telescope a německého Effelsberg 100-m Telescope. Teleskopy detailně skenovali dvě blízké neutronové hvězdy RX J0720.4-3125 a RX J0806.4-4123, a také pořídili sken centra Mléčné dráhy, kde by podle odhadů mohlo být asi 500 milionů neutronových hvězd. Zaměřili se přitom na frekvence kolem 1 GHz, což odpovídá axionům o hmotnosti 5 až 11 mikroelektronvoltů.

Nic nenašli. Neznamená to ale, že by byl jejich výzkum zbytečný. V podstatě vyloučili, že existují axiony o těchto hmotnostech. S dalšími a dalšími podobnými experimenty, ať u na Zemi nebo v „kosmické laboratoři“, se nám postupně skládá výsledný obrázek. Ten nám dá odpověď na otázku, jestli je temná hmota tvořena axiony.

Literatura

Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe 18. 12. 2020.

Physical Review Letters 125: 171301.