Axionové mračno. Kredit: University of Amsterdam.

I když je to někdy už opravdu úmorné, pátrání po temné hmotě nepolevuje. Fyzici ji hledají úplně všude, na Zemi i na místech od Země velice vzdálených. Dion Noordhuis z nizozemského GRAPPA Institute na University of Amsterdam a jeho kolegové pátrají po temné hmotě ve velice exotickém bezprostředním okolí neutronových hvězd. Pokud mají ale čirou náhodou pravdu, mohli bychom temnou hmotu poměrně komfortně pozorovat.

Neutronová hvězda v podání NASA Goddard Space Flight Center. Kredit: Volné dílo.

Při stále naprosto marném hledání temné hmoty se urodilo mnoho více či méně bizarních hypotetických částic, které by mohly tvořit temnou hmotu.

Po opakovaném selhávání WIMPů jsou teď mezi nejvíce nadějnými kandidáty na chladnou temnou hmotu axiony, hypotetické a velmi lehké elementární částice. Ani axiony na tom ale nejsou nijak zvlášť růžově.

Dion Noordhuis. Kredit: University of Amsterdam.

Po axionech pátrala či pátrá celá řada rozmanitých experimentů, doposud s nulovým výsledkem. Noordhuis a spol. věří, že by mohli mít štěstí v okolích neutronových hvězd. Vycházejí z toho, že pokud je temná hmota doopravdy tvořená axiony, pak je naděje, že by za jistých okolností mohla nepřímo „zářit.“ Jde o to, že když jsou axiony vystaveny elektromagnetickým polím, měly by se přeměňovat na fotony.

Fotony jsou vlastně záření, které bychom teoreticky mohli pozorovat. Za normálních okolností by měly být interakce axionů s elektromagnetickými poli velmi malé a podobné by mělo být i množství generovaných fotonů. Co kdyby ale šlo o prostředí s extrémním množstvím axionů a extra silnými elektromagnetickými poli?

V tuto chvíli, tedy podle Noordhuise a jeho kolegů, přicházejí na scénu neutronové hvězdy. Teoretický výzkumu axionů počítá s tím, že pokud axiony existují, mohly by je neutronové hvězdy, nesmírně husté objekty o velikosti pár kilometrů a současně hmotnosti hvězdy, svázané magnetickými poli miliardkrát silnějšími než známe na Zemi, produkovat ve velkém množství poblíž svého povrchu.

Vývoj axionového mračna v průběhu života neutronové hvězdy. Kredit: Noordhuis et al. (2024), Physical Review X. DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041015

Badatelé se domnívají, že neutronové hvězdy by mohly být doslova továrnami na axiony, přičemž jejich drtivá gravitace by bránila podstatné části axionů uniknout. Pokud by toto všechno platilo, mohly by se kolem neutronových hvězd v průběhu milionů let vytvářet mohutná mračna axionů (axion cloud). Jejich hustota by o mnoho řádů překračovala obvyklou hustotu temné hmoty (pokud ji tvoří axiony) v běžném vesmíru. Axionová mračna, pokud se axiony chovají, jak myslíme, by měla vytvářet silný elektromagnetický signál (kontinuální během existence a puls při zániku), který bychom měli být schopni detekovat.

Není tajemstvím, že jsme zatím žádná axionová mračna nenašli. Díky studii Noordhuise a spol. teď ale mnohem přesněji víme, co vlastně hledat. Bude to chtít hodně pozorování a také spoustu dalšího teoretického výzkumu, protože hodně otázek zůstává nezodpovězených. Časem se snad ukáže, jak to s axiony vlastně je.

Video: Are Axions Dark Matter? w/ Nobel Laureate Frank Wilczek

Literatura

University of Amsterdam 17. 10. 2024.

Physical Review X 14: 041015.