Könnte der Zerfall von Axionen einem übermäßigen kosmischen optischen Hintergrund zugrunde liegen?

Der kosmische optische Hintergrund (COB) ist das sichtbare Licht, das von allen Quellen außerhalb der Milchstraße ausgestrahlt wird. Dieser schwache Lichtschein, der nur mit sehr präzisen und hochentwickelten Teleskopen beobachtet werden kann, könnte der Astrophysik helfen, mehr über die Ursprünge des Universums und das, was sich jenseits unserer Galaxie befindet, zu erfahren.

Letztes Jahr veröffentlichten Physiker, die an verschiedenen Instituten in den Vereinigten Staaten arbeiten, die bisher genauesten COB-Messungen, die von der Raumsonde New Horizons gesammelt wurden, einer interplanetaren Raumsonde, die vor über einem Jahrzehnt von der NASA gestartet wurde. Diese Messungen legten nahe, dass der COB zweimal heller ist als theoretische Vorhersagen.

Forscher der Johns Hopkins University haben kürzlich eine theoretische Studie durchgeführt, in der die Möglichkeit untersucht wurde, dass dieses beobachtete überschüssige Licht durch den Zerfall einer hypothetischen Art von Teilchen der Dunklen Materie, bekannt als Axionen, verursacht werden könnte. In ihrer Arbeit, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungzeigten sie, dass Axionen mit Massen zwischen 8 und 20 eV möglicherweise für den vom New Horizons-Team gemessenen überschüssigen COB-Fluss verantwortlich sein könnten.

„Marc Postman ist ein Kollege auf der anderen Straßenseite, der ein unglaublicher beobachtender Kosmologe ist, und so weiter seine Arbeit mit Todd Lauer und dem Team von New Horizons erschien, ich bemerkte es und las es“, sagte Marc Kamionkowski, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org.

„Die Messung, die sie gesammelt haben, ist ein großartiges Beispiel für die geschickte Umnutzung eines leistungsstarken astronomischen Observatoriums für andere Zwecke als die, für die es konzipiert wurde. Wir haben dieses unglaubliche kleine Raumschiff vor Jahren in Richtung Pluto geschickt, und es hat alles getan, was es sollte, aber es hatte ohne Bremsen und rast immer weiter und weiter von der Sonne weg, ohne viel zu tun. Marc und Todd erkannten, dass damit – zum allerersten Mal – der kosmische Hintergrund optischer Photonen von allen unaufgelösten Galaxien in der Erde erfasst werden könnte Universum, und das tat es.“

Nachdem er die Arbeit von Lauer und seinen Kollegen gelesen hatte, erkannte Kamionkowski, dass, wenn der von ihnen gemessene Überschuss tatsächlich auf den Zerfall von Axionen zurückzuführen war, dies möglicherweise anhand verfügbarer kosmologischer Daten bestätigt werden könnte. Insbesondere würde dieser Überschuss während SPHEREx, einer geplanten zweijährigen NASA-Mission, die ein Nahinfrarot-Weltraumobservatorium in den Weltraum schicken wird, um neue und potenziell wertvolle Messungen zu sammeln, mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis erfasst.

„Unsere Berechnungen sind peinlich einfach, da es sich um die Art von Berechnungen handelt, die wir und Tonnen anderer Leute seit Jahren durchführen“, erklärte Kamionkowski. „Die Idee, dass der Zwei-Photonen-Zerfall eines Axions zu einem kosmischen Signal führen könnte, gab es bereits, als ich vor über 30 Jahren Doktorand war. Unsere Arbeit besteht einfach darin, die Photonen aller durch den Axion-Zerfall im Laufe der Zeit erzeugten Photonen zu summieren, eine einfache integral. Wir mussten einige Faktoren der kosmischen Rotverschiebung richtig hineinbekommen, aber das ist ein Hausaufgabenproblem in einem typischen Kosmologieunterricht.“

Insgesamt unterstreichen die von Kamionkowski und seinen Kollegen durchgeführten Berechnungen die Möglichkeit, den Zusammenhang zwischen dem Zerfall der Axion-Dunklen Materie und dem kürzlich beobachteten COB-Überschuss mit zukünftigen Line-Intensity-Mapping-Messungen (LIM) zu bestätigen oder zu widerlegen, die vom NASA-Satelliten SPHEREx gesammelt werden sollen.

SPHEREx wird voraussichtlich im Jahr 2025 starten und Messsignale im nahen Infrarotbereich sammeln, die von etwa 450 Millionen Galaxien stammen. Die Forscher von Johns Hopkins haben bereits veröffentlicht ein Folgepapierwo sie die Konsistenz des Axion-Zerfallsszenarios mit bestehenden Einschränkungen für COB von Gammastrahlen untersuchten.

„Das Fermi-Teleskop der NASA hat Gammastrahlen-Energiespektren von über 800 Blazaren erhalten, und die energiereichsten Gammastrahlen können durch die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren durch Streuung mit COB-Photonen abgeschwächt werden“, fügte Kamionkowski hinzu.

„In unserer neuen Studie haben wir die von dieser COB-Streuung erwartete Abschwächung modelliert und konnten durch Vergleich mit Fermi-Daten eine Obergrenze für den COB-Hintergrund aus dem Zerfall dunkler Materie festlegen, die immer noch mit dem von New Horizons abgeleiteten COB-Überschuss übereinstimmte .

„Meine Studentin Gabriela Sato-Polito hat auch mit Dan Grin (Haverford College) zusammengearbeitet, um in tiefen VLT-Bildern mehrerer Cluster mit hoher Rotverschiebung nach Zerfallslinien dunkler Materie zu suchen. Diese Messungen sollten es uns ermöglichen, einige, aber nicht alle zu untersuchen der Parameterraum für Zerfälle dunkler Materie, der mit dem Exzess von New Horizons übereinstimmt.

© 2022 Science X Netzwerk