Pulsare können dunkle Materie zum Leuchten bringen

Die zentrale Frage bei der laufenden Jagd nach Dunkler Materie lautet: Woraus besteht sie? Eine mögliche Antwort ist, dass dunkle Materie aus Teilchen besteht, die als Axionen bekannt sind. Ein Team von Astrophysikern unter der Leitung von Forschern der Universitäten Amsterdam und Princeton hat nun gezeigt, dass dunkle Materie, wenn sie aus Axionen besteht, sich in Form eines subtilen zusätzlichen Leuchtens offenbaren kann, das von pulsierenden Sternen ausgeht. Ihre arbeiten wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Dunkle Materie ist möglicherweise der begehrteste Bestandteil unseres Universums. Überraschenderweise wird angenommen, dass diese mysteriöse Form der Materie, die Physiker und Astronomen bisher nicht entdecken konnten, einen enormen Teil dessen ausmacht, was da draußen ist.

Es wird vermutet, dass nicht weniger als 85 % der Materie im Universum „dunkel“ sind, was derzeit nur durch die Anziehungskraft erkennbar ist, die sie auf andere astronomische Objekte ausübt. Verständlicherweise wollen Wissenschaftler mehr. Sie wollen dunkle Materie wirklich sehen – oder zumindest ihre Anwesenheit direkt erkennen und nicht nur aus Gravitationseffekten darauf schließen. Und natürlich: Sie wollen wissen, was es ist.

Zwei Probleme beseitigen

Eines ist klar: Dunkle Materie kann nicht dieselbe Art von Materie sein, aus der Sie und ich bestehen. Wenn das der Fall wäre, würde sich dunkle Materie einfach wie gewöhnliche Materie verhalten – sie würde Objekte wie Sterne bilden, aufleuchten und nicht mehr „dunkel“ sein. Wissenschaftler suchen daher nach etwas Neuem – einem Teilchentyp, den noch niemand entdeckt hat und der wahrscheinlich nur sehr schwach mit den uns bekannten Teilchentypen interagiert, was erklärt, warum dieser Bestandteil unserer Welt bisher schwer zu fassen ist.

Es gibt viele Hinweise, wo man suchen muss. Eine weit verbreitete Annahme ist, dass dunkle Materie aus Axionen bestehen könnte. Dieser hypothetische Teilchentyp wurde erstmals in den 1970er Jahren eingeführt, um ein Problem zu lösen, das nichts mit Dunkler Materie zu tun hatte. Die Trennung positiver und negativer Ladungen im Neutron, einem der Bausteine ​​gewöhnlicher Atome, erwies sich als unerwartet gering. Wissenschaftler wollten natürlich wissen, warum.

Es stellte sich heraus, dass die Anwesenheit eines bisher unentdeckten Teilchentyps, der nur sehr schwach mit den Neutronenbestandteilen interagiert, genau einen solchen Effekt verursachen könnte. Der spätere Nobelpreisträger Frank Wilczek erfand einen Namen für das neue Teilchen: Axion – nicht nur ähnlich zu anderen Teilchennamen wie Proton, Neutron, Elektron und Photon, sondern auch inspiriert von einem gleichnamigen Waschmittel. Das Axion war da, um ein Problem zu beseitigen.

Obwohl es nie entdeckt wird, könnte es sogar zwei bereinigen. Mehrere Theorien für Elementarteilchen, darunter die Stringtheorie, eine der führenden Kandidatentheorien zur Vereinheitlichung aller Kräfte in der Natur, schienen die Existenz axionartiger Teilchen vorherzusagen. Wenn Axionen tatsächlich da draußen wären, könnten sie dann auch einen Teil oder sogar die gesamte fehlende Dunkle Materie darstellen? Vielleicht, aber eine zusätzliche Frage, die die gesamte Forschung zur Dunklen Materie beschäftigte, galt auch für Axionen: Wenn ja, wie können wir sie dann sehen? Wie macht man etwas „Dunkles“ sichtbar?

Ein Licht auf dunkle Materie werfen

Glücklicherweise scheint es für Axionen einen Ausweg aus diesem Rätsel zu geben. Wenn die Theorien, die Axionen vorhersagen, korrekt sind, wird nicht nur erwartet, dass sie im Universum in Massenproduktion hergestellt werden, sondern einige Axionen könnten auch in Gegenwart starker elektromagnetischer Felder in Licht umgewandelt werden. Sobald es Licht gibt, können wir sehen. Könnte dies der Schlüssel zum Nachweis von Axionen sein – und damit zum Nachweis dunkler Materie?

Um diese Frage zu beantworten, mussten sich Wissenschaftler zunächst fragen, wo im Universum die stärksten bekannten elektrischen und magnetischen Felder auftreten. Die Antwort lautet: in Regionen um rotierende Neutronensterne, auch Pulsare genannt. Diese Pulsare – kurz für „pulsierende Sterne“ – sind dichte Objekte mit einer Masse, die ungefähr der unserer Sonne entspricht, aber einem etwa 100.000-mal kleineren Radius, nämlich nur etwa 10 km. Da Pulsare so klein sind, rotieren sie mit enormen Frequenzen und senden entlang ihrer Rotationsachse helle, schmale Radioemissionsstrahlen aus. Ähnlich wie bei einem Leuchtturm können die Strahlen des Pulsars über die Erde streichen und so den pulsierenden Stern leicht beobachten.

Der enorme Spin des Pulsars bewirkt jedoch noch mehr. Es verwandelt den Neutronenstern in einen extrem starken Elektromagneten. Das wiederum könnte bedeuten, dass Pulsare sehr effiziente Axionenfabriken sind. Ein durchschnittlicher Pulsar wäre in der Lage, jede einzelne Sekunde eine 50-stellige Anzahl von Axionen zu erzeugen. Aufgrund des starken elektromagnetischen Feldes um den Pulsar könnte sich ein Bruchteil dieser Axionen in beobachtbares Licht umwandeln. Das heißt: ob Axionen überhaupt existieren – aber genau diese Frage lässt sich nun mit dem Mechanismus beantworten. Schauen Sie sich einfach Pulsare an, sehen Sie, ob sie zusätzliches Licht aussenden, und wenn ja, stellen Sie fest, ob dieses zusätzliche Licht von Axionen kommen könnte.

Simuliert einen subtilen Glanz

Wie immer in der Wissenschaft ist es natürlich nicht so einfach, eine solche Beobachtung tatsächlich durchzuführen. Das von Axionen emittierte Licht – nachweisbar in Form von Radiowellen – wäre nur ein kleiner Bruchteil des gesamten Lichts, das diese hellen kosmischen Leuchttürme uns senden. Man muss sehr genau wissen, wie ein Pulsar ohne Axionen aussehen würde und wie ein Pulsar mit Axionen aussehen würde, um den Unterschied erkennen zu können – geschweige denn, um diesen Unterschied zu quantifizieren und ihn in ein Maß für die Menge an Dunkelheit umzuwandeln Gegenstand.

Genau das hat nun ein Team aus Physikern und Astronomen getan. In einer Zusammenarbeit zwischen den Niederlanden, Portugal und den USA hat das Team einen umfassenden theoretischen Rahmen entwickelt, der ein detailliertes Verständnis darüber ermöglicht, wie Axionen erzeugt werden, wie Axionen der Anziehungskraft des Neutronensterns entkommen und wie dies bei ihrer Flucht geschieht Sie wandeln sich in energiearme Radiostrahlung um.

Die theoretischen Ergebnisse wurden dann auf einen Computer übertragen, um die Produktion von Axionen um Pulsare herum zu modellieren. Dabei wurden modernste numerische Plasmasimulationen verwendet, die ursprünglich entwickelt wurden, um die Physik hinter der Aussendung von Radiowellen durch Pulsare zu verstehen. Nach der virtuellen Herstellung wurde die Ausbreitung der Axionen durch die elektromagnetischen Felder des Neutronensterns simuliert. Dies ermöglichte es den Forschern, die anschließende Produktion von Radiowellen quantitativ zu verstehen und zu modellieren, wie dieser Prozess zusätzlich zu der vom Pulsar selbst erzeugten Eigenemission ein zusätzliches Radiosignal liefern würde.

Axion-Modelle auf die Probe gestellt

Anschließend wurden die Ergebnisse aus Theorie und Simulation einem ersten Beobachtungstest unterzogen. Anhand von Beobachtungen von 27 nahegelegenen Pulsaren verglichen die Forscher die beobachteten Radiowellen mit den Modellen, um zu sehen, ob ein gemessener Überschuss einen Beweis für die Existenz von Axionen liefern könnte. Leider war die Antwort „nein“ – oder vielleicht optimistischer: „noch nicht“. Axionen springen uns nicht sofort ins Auge, aber das war vielleicht nicht zu erwarten. Würde die Dunkle Materie ihre Geheimnisse so leicht preisgeben, wäre sie schon vor langer Zeit beobachtet worden.

Die Hoffnung auf einen überzeugenden Nachweis von Axionen liegt daher nun auf zukünftigen Beobachtungen. Unterdessen ist die derzeitige Nichtbeobachtung von Radiosignalen von Axionen an sich schon ein interessantes Ergebnis. Der erste Vergleich zwischen Simulationen und tatsächlichen Pulsaren hat der Wechselwirkung von Axionen mit Licht die bislang stärksten Grenzen gesetzt.

Das ultimative Ziel besteht natürlich darin, mehr zu tun, als nur Grenzen festzulegen – es besteht darin, entweder zu zeigen, dass es Axionen gibt, oder sicherzustellen, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, dass Axionen überhaupt ein Bestandteil der Dunklen Materie sind. Die neuen Ergebnisse sind nur ein erster Schritt in diese Richtung; Sie sind nur der Anfang eines völlig neuen und äußerst interdisziplinären Feldes, das das Potenzial hat, die Suche nach Axionen dramatisch voranzutreiben.