A magösszeomlásos szupernóvák maradványaként létrejövő neutroncsillagok által kibocsátott gamma-sugarak segíthetnek megoldani a sötét anyag rejtélyét, mindössze 10 másodperc alatt. A vizsgálatukkal ugyanis megerősítést nyerhet az az elmélet, amely szerint a sötét anyagot az úgynevezett axionok alkotják. Az axionok az elméletek szerint létező, kis tömegű részecskék, amelyek jelenlegi ismereteink alapján talán a legalkalmasabbak arra, hogy az Univerzum sötét anyagának alkotóelemei legyenek.

Ahhoz, hogy kimutathassuk őket, egy közeli szupernóva-robbanás vizsgálata szükséges: az axionok ugyanis nagy energiájú gammasugárzást bocsátanak ki, amelyet könnyebben detektálhatunk a hozzánk közelebbi magösszeomlásos szupernóva-robbanások során kialakuló neutroncsillagok esetén. Ennek a többletsugárzásnak a vizsgálatával pedig kiszámíthatjuk az axionok tömegét, és így választ találhatunk minden idők legnagyobb csillagászati rejtélyeinek egyikére.

Egy szupernóva-robbanás szívében kialakuló neutroncsillag, és a belőle kiáramló gammasugarak illusztrációja. (Forrás: Robert Lea, Canva program.)

Közeli szupernóva-robbanásokból azonban nem ismerünk olyan sokat: a Tejútrendszerben, vagy kísérőgalaxisaiban csak néhány évtizedenként fordul elő ilyesmi. A legutóbbi közeli szupernóva-robbanás a Nagy Magellán-felhőben bekövetkező SN1987A volt.

A kutatók úgy gondolják, hogy ha a feltételezéseik helyesek, egy, a közeljövőben bekövetkező, közeli szupernóva-robbanás vizsgálatával választ kaphatunk a sötét anyag nagy kérdésére. Ahhoz, hogy a többletsugárzásként jelenlévő gamma-sugarakat detektálhassuk, a Fermi-űrtávcsőre van szükség, ez ugyanis az egyetlen olyan műszer jelenleg, amely alkalmas a feladatra. Mindemellett pedig az is fontos, hogy az űrtávcső éppen abba az irányba nézzen, amerre megtörténik egy közeli szupernóva-robbanás, amely a Fermi látómezejét tekintve 1/10 valószínűséggel történik meg.

A kérdéskört vizsgáló csoport szerint elég lenne mindössze egyetlen mérést készíteni a közeli szupernóva-robbanás maradványaként létrejövő neutroncsillagról ahhoz, hogy meghatározhassák az axion tömegét. A kutatók kifejezetten kíváncsiak az úgynevezett QCD axionokra, amelyek a többi elméleti szinten létező axionfajtával ellentétben érzékenyek a hőmérséklet változására.

Ha tehát képesek lennénk a Fermi-űrtávcsővel megfigyelni a közeljövőben egy, az SN1987A-hoz hasonló, magösszeomlásos szupernóvát, megerősíthetnénk, avagy cáfolhatnánk a QCD axionok létezését mindössze 10 másodperc alatt.

Hogyan jönnek létre az axionok?

A mindmáig rejtélyes sötét anyag Univerzumunk anyagának körülbelül 1/5 részét alkotja. Ezzel szemben a látható anyag, amely a csillagokban, a csillagközi porban, a holdakban, az aszteroidákban, a bolygókban, az emberekben, és minden, sugárzást kibocsátó anyagban jelen van, az Univerzum össztömegének mindössze 4%-át adja.

A sötét anyagot azért nevezzük sötétnek, mert nem lép kölcsönhatásba a fénnyel, vagy ha igen, akkor olyan kis mértékben, hogy jelenlegi műszereink képtelenek ennek a kölcsönhatásnak a kimutatására. Ilyen módon tehát a sötét anyag egy gravitáló, tehát tömeggel bíró, ámde láthatatlan anyagforma. Az utóbbi években hangsúlyos szerepet kapott a sötét anyagot alkotó részecskék keresése, és több, elméleti részecske közül az axionok vették át a legvalószínűbb jelölt szerepét.

Az axionok még emellett is különleges részecskéknek számítanak, ugyanis nem illeszkednek a részecskefizika standard modelljébe, és emiatt a kutatók szerint alkalmasak lehetnek arra, hogy a későbbiekben segítségükkel egyesíthessük az einsteini általános relativitáselméletet, a gravitáció elméletét, illetve a kvantumfizikát.

Mindmáig számos földi kísérlettel igyekeztek kimutatni a tudósok az axionok létezését, most azonban figyelmük a neutroncsillagok felé fordult, amelyek talán otthont adhatnak ennek a különleges részecsketípusnak. A neutroncsillagok a nagy tömegű csillagok magjának összeomlásával keletkeznek, mint a szupernóva-robbanás első lépcsőfoka. Erről a kemény csillagmagról pedig a csillag további, külső héjai visszapattannak, és egy kifelé terjedő lökéshullám formájában szétvetik az objektumot alkotó anyagot. Végül a hajdani csillag helyén egy táguló gázfelhő marad vissza, a közepében pedig egy neutroncsillag. Ezeknek a csillagoknak a tömege 1-2 naptömeg, méretük pedig rendkívül kompakt, átmérőjük körülbelül 20 km!

A kutatók szerint az axionok kimutatására akkor van a legnagyobb esélyünk, ha sikerül megvizsgálni egy olyan szupernóva-robbanást, amelyben épphogy csak megtörtént a magösszeomlás. A csillagmagból kialakuló neutroncsillag rendkívül erős mágneses mezeje ugyanis elméletileg képes az axionokat a gamma hullámhossztartományban sugárzó fotonpárokká bontani. Ez a folyamat azonban a számítások alapján olyan kevés gamma-fotont hoz létre, amely csak a legközelebbi szupernóva-robbanások vizsgálatával detektálható. Mindemellett az axionok kialakulása körülbelül a neutroncsillag létrejötte utáni első 10 másodpercben történne meg, így a kimutatásukhoz valóban szükségeltetik némi szerencse.

Az SN1987A nevű szupernóva-robbanás környezetéről készített, művészi animáció. (Forrás: NASA/SOFIA/Symbolic Pictures/The Casadonte Group.)

Az előzetesen elvégzett számítások alapján a QCD axionok tömege körülbelül 32-szer kisebb, mint az elektronoké. Szintén megjegyzendő, hogy az SN1987A esetén a Fermi-űrtávcső nem detektált gamma-sugarakat, ami tehát azt jelenti, hogy egy olyan szupernóva-robbanásra van szükség az axionok kimutatásához, amely még az ismert eseménynél is energikusabb, és amelynek során ennek megfelelően minimum 10 milliárd elektron-tömegnyi axion jön létre. Ez ugyanis kimutatható a Fermi-űrtávcsővel, mégpedig egyetlen, mindössze 10 másodpercig tartó méréssel.

A legjobb forgatókönyv az lenne, ha a Fermi-űrtávcsőnek sikerülne megvizsgálnia egy közeli szupernóva-robbanást a magösszeomlás pillanatában. Az esemény ritkaságát, és a detektálás kis valószínűségét tekintve a kutatók azonban jobbnak látták egy ennél érzékenyebb, és nagyobb látószögben működő műszer tervezését, amellyel könnyebben megvalósítható ez a nehéz, de érdekes feladat. Ez az új eszköz a teljes égboltot vizsgáló gamma-műholdak hadseregéből állna, és a Galactic Axion Instrument for Supernova (GALAXIS) nevet kapná. Ennek a birtokában, némi szerencsével az elkövetkező évtizedekben képesek lehetünk megoldani a sötét anyag örök rejtélyét.

Az itt leírtakról készített tanulmány a Physical Review Letters című folyóiratban jelent meg.

A cikk forrása: https://www.space.com/supernova-neutron-star-dark-matter-1987A