Neutronensterne, die Überreste massereicher Sterne nach einer Supernova-Explosion, standen oft im Mittelpunkt von Studien, die darauf abzielten, exotische Physik zu testen und zu enthüllen. Dies liegt daran, dass diese Sterne zu den dichtesten Objekten im Universum gehören und daher extrem hohe Temperaturen und Drücke aufweisen.
Jüngste theoretische Studien haben die Möglichkeit untersucht, dass Axionen der Quantenchromodynamik (QCD), Elementarteilchen, von denen angenommen wird, dass sie aus dem sogenannten Peccei-Quinn-Mechanismus hervorgehen, die Eigenschaften von Neutronensternen beeinflussen. Durch die Wechselwirkung mit Nukleonen könnten diese Teilchen die Struktur von Neutronensternen verändern, was sich wiederum auf deren Kühlung auswirken könnte.
Aufbauend auf dieser Idee simulierten Forscher der Universität Alicante und der Technischen Universität München kürzlich Abkühlungsprozesse von Neutronensternen und verglichen sie mit theoretischen Vorhersagen, um bisher unerforschte Regionen des Axion-Parameterraums zu untersuchen. Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchunglegen neue Einschränkungen für leichte QCD-Axionen fest, die zukünftige Suchen nach diesen exotischen Teilchen beeinflussen könnten.
„Diese Studie entstand aus Diskussionen darüber, wie ein hypothetisches Teilchen wie das QCD-Axion die Eigenschaften der Kernmaterie beeinflussen könnte“, sagte Antonio Gómez-Bañón, Erstautor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Wir haben erkannt, dass das QCD-Axion, wenn es leicht genug ist, die Größe der Hülle eines Neutronensterns verändern kann, einer äußeren Schicht, die seine Kühlung reguliert.“
Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Gómez-Bañón und seinen Kollegen bestand darin, festzustellen, ob der Einfluss eines QCD-Axions auf die Hülle eines Neutronensterns die Abkühlung des Sterns erheblich beschleunigen könnte, was im Widerspruch zu früheren Beobachtungen stünde. Dazu untersuchten sie zunächst, wie ein QCD-Axion die Energie und den Druck der Kernmaterie in Neutronensternen beeinflussen könnte.
„Aufgrund dieses Verständnisses haben wir dann die Differentialgleichungen gelöst, die das Kräftegleichgewicht zwischen dem QCD-Axionfeld, der Kernmaterie und der Schwerkraft innerhalb eines Neutronensterns beschreiben“, erklärte Gómez-Bañón. „Unsere Lösungen zeigten, dass die Hülle des Neutronensterns bei bestimmten Axion-Parametern deutlich dünner wird.“
Die von Gómez-Bañón und seinen Kollegen durchgeführten Simulationen und Analysen legen nahe, dass der Stern weniger isoliert wird, wenn die Hülle eines Neutronensterns dünner wird, was dazu führt, dass er schneller abkühlt. Um diese Vorhersage weiter zu validieren, integrierten sie ihre Gleichgewichtsgleichungen in ihre Simulation der Neutronensternkühlung und untersuchten, wie sich die Temperatur des Neutronensterns im Laufe der Zeit veränderte.
„Wie erwartet sagten die aus der Simulation erhaltenen Abkühlungskurven Neutronensterne voraus, die kühler waren als die Beobachtungen in einem bestimmten Alter“, sagte Gómez-Bañón. „Diese Diskrepanz ermöglicht es uns, den QCD-Axion-Parametern neue Beschränkungen aufzuerlegen.“
Die von diesem Forscherteam durchgeführten Simulationen und Analysen schlossen eine neue Region innerhalb des QCD-Axion-Parameterraums aus. Darüber hinaus stellt ihre Arbeit einen alternativen Ansatz zur Festlegung von Beschränkungen für diese hypothetischen Teilchen vor, der auf Beobachtungen von Neutronensternen beruht.
„Im Gegensatz zu früheren Grenzen, die auf Axionenemission und Energieverlust basieren, basiert unser Ansatz darauf, wie das QCD-Axionenfeld die Struktur des Neutronensterns verändert, seine Hülle komprimiert und die Abkühlung beschleunigt“, fügte Gómez-Bañón hinzu.
„In unseren nächsten Studien planen wir, uns auf die Suche nach astrophysikalischen Szenarien zu konzentrieren, die die ‚QCD-Axion-Linie‘ einschränken könnten, eine Region mit Axionmassen, in der sich viele theoretisch motivierte Modelle befinden, deren Untersuchung jedoch schwierig ist. Der Ausschluss von Teilen dieser Region wäre sinnvoll.“ ein bedeutender Fortschritt.“
Weitere Informationen:
Antonio Gómez-Bañón et al, Constraining Light QCD Axions with Insulated Neutron Star Cooling, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251002.
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