Neue Physik in Trümmern kollidierender Neutronensterne entdecken

Laut einer Studie der Washington University in St. Louis sind Neutronensternverschmelzungen eine Fundgrube für neue physikalische Signale, die Auswirkungen auf die Bestimmung der wahren Natur der Dunklen Materie haben.

Am 17. August 2017 entdeckten das Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in den Vereinigten Staaten und Virgo, ein Detektor in Italien, Gravitationswellen von der Kollision zweier Neutronensterne. Zum ersten Mal wurde dieses astronomische Ereignis nicht nur in Gravitationswellen gehört, sondern auch im Licht von Dutzenden Teleskopen auf der Erde und im Weltraum beobachtet.

Der Physiker Bhupal Dev in Arts & Sciences nutzte Beobachtungen dieser Neutronensternverschmelzung – ein Ereignis, das in astronomischen Kreisen als GW170817 bezeichnet wird –, um neue Beschränkungen für axionähnliche Teilchen abzuleiten. Diese hypothetischen Teilchen wurden nicht direkt beobachtet, kommen aber in vielen Erweiterungen des Standardmodells der Physik vor.

Axionen und axionähnliche Teilchen sind aussichtsreiche Kandidaten dafür, einen Teil oder die gesamte „fehlende“ Materie oder Dunkle Materie des Universums zu bilden, für die Wissenschaftler bislang keine Erklärung finden konnten. Zumindest können diese schwach interagierenden Teilchen als eine Art Portal dienen, das den sichtbaren Sektor, über den die Menschen viel wissen, mit dem unbekannten dunklen Sektor des Universums verbindet.

„Wir haben guten Grund zu der Annahme, dass bald neue Physik jenseits des Standardmodells lauern könnte“, sagte Dev, Erstautor der Studie Briefe zur körperlichen Untersuchung und Fakultätsmitglied des McDonnell Center for the Space Sciences der Universität.

Wenn zwei Neutronensterne verschmelzen, entsteht für kurze Zeit ein heißer, dichter Überrest. Dieser Überrest sei ein idealer Nährboden für die Produktion exotischer Partikel, sagte Dev. „Der Überrest wird etwa eine Sekunde lang viel heißer als die einzelnen Sterne, bevor er sich je nach Anfangsmasse in einen größeren Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch verwandelt“, sagte er.

Diese neuen Teilchen entkommen stillschweigend den Trümmern der Kollision und können weit entfernt von ihrer Quelle in bekannte Teilchen, typischerweise Photonen, zerfallen. Dev und sein Team – darunter WashU-Absolvent Steven Harris (jetzt NP3M-Stipendiat an der Indiana University) sowie Jean-Francois Fortin, Kuver Sinha und Yongchao Zhang – zeigten, dass diese entkommenen Partikel einzigartige elektromagnetische Signale erzeugen, die von erkannt werden können Gammastrahlenteleskope wie das Fermi-LAT der NASA.

Das Forschungsteam analysierte spektrale und zeitliche Informationen dieser elektromagnetischen Signale und stellte fest, dass sie die Signale vom bekannten astrophysikalischen Hintergrund unterscheiden konnten.

Anschließend nutzten sie Fermi-LAT-Daten zu GW170817, um neue Einschränkungen für die Axion-Photon-Kopplung als Funktion der Axionmasse abzuleiten. Diese astrophysikalischen Einschränkungen ergänzen diejenigen, die aus Laborexperimenten wie ADMX stammen, das einen anderen Bereich des Axion-Parameterraums untersucht.

In Zukunft könnten Wissenschaftler bestehende Gammastrahlen-Weltraumteleskope wie das Fermi-LAT oder vorgeschlagene Gammastrahlenmissionen wie das von WashU geleitete Advanced Particle-Astrophysics Telescope (APT) nutzen, um andere Messungen bei Kollisionen von Neutronensternen durchzuführen helfen, ihr Verständnis axionartiger Teilchen zu verbessern.

„Extreme astrophysikalische Umgebungen, wie die Verschmelzung von Neutronensternen, bieten eine neue Gelegenheit für unsere Suche nach Teilchen des dunklen Sektors wie Axionen, die den Schlüssel zum Verständnis der fehlenden 85 % der gesamten Materie im Universum darstellen könnten“, sagte Dev.