Umírající hvězdy by mohly odhalit největší záhadu vesmíru

Astronomové se domnívají, že supernova v naší Galaxii by mohla odhalit tajemství temné hmoty tím, že bude emitovat detekovatelné záření gama z axionů. Tento objev by poskytl klíčové informace o vlastnostech této nepolapitelné částice a její roli ve vesmíru.

Již téměř sto let se vědci snaží odhalit tajemství temné hmoty, tj. látky, která utváří náš vesmír, ale zůstává neviditelná. Temná hmota, která byla navržena v 60. letech 20. století jako vysvětlení toho, proč galaxie rotují tak, jak rotují, nevyzařuje ani neinteraguje se světlem a jinými formami elektromagnetického záření. Předpokládá se, že interaguje pouze prostřednictvím gravitace a tvoří neuvěřitelných 85 % celkové hmotnosti vesmíru. Temná hmota hraje klíčovou roli v našem chápání vesmíru a je ústředním prvkem široce přijímaného kosmologického modelu Lambda Cold Dark Matter (LCDM). Její skutečná povaha však zůstává stále nepochopitelná.

Hypotéza axionu
Jedním z nejslibnějších vodítek v tomto hledání je axion – hypotetická částice o nízké hmotnosti, která byla poprvé navržena v 70. letech 20. století k objasnění nevyřešených otázek v kvantové fyzice. Nedávné pokroky naznačují, že axiony by se mohly projevit za specifických podmínek, například v přítomnosti silných magnetických polí, která se nacházejí v okolí neutronových hvězd.

Průlomová studie astrofyziků z Kalifornské univerzity v Berkeley, kterou podpořilo americké ministerstvo energetiky, naznačuje, že axiony by mohly být detekovány v okamžicích následujících po výbuchu blízké supernovy. Podle vědců by gama záření generované axiony během takové události mohlo poskytnout první přímý důkaz těchto částic a potenciálně vyřešit jednu z největších záhad současné vědy.

Supernovy jako kosmické laboratoře
Studii provedli vědci z Berkeleyského centra pro teoretickou fyziku (BCTP) a členové skupiny teoretické fyziky Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Článek, který popisuje jejich zjištění, byl nedávno publikován v časopise Physical Review Letters. Podle jejich tvrzení by axiony vznikaly v hojném množství během prvních 10 sekund poté, co masivní hvězda projde kolapsem jádra a stane se neutronovou hvězdou. Tyto axiony pak uniknou a v intenzivním magnetickém poli hvězdy se přemění na vysokoenergetické záření gama.

Pátrání po detekci
Po desetiletí se pátrání po temné hmotě zaměřovalo na objekty MACHO (MAssive Compact Halo Objects). Když se je nepodařilo objevit, začali fyzikové uvažovat o slabě interagujících hmotných částicích (WIMP) jako o nejpravděpodobnějším kandidátu, ale také se jim nepodařilo nic hmatatelného najít. To vedlo k tomu, že nejrozšířenějším kandidátem se staly axiony, elementární částice, které zapadají do standardního modelu částicové fyziky a řeší několik nevyřešených otázek kvantové mechaniky – včetně teorie všeho (Theory of Everything, ToE).

Nejsilnějším kandidátem je axion z kvantové chromodynamiky (QCD), který teoreticky interaguje s veškerou hmotou, i když slabě. Jak ukázal předchozí výzkum, axiony se v přítomnosti silného magnetického pole, které lze detekovat, občas mění na fotony. Taková detekce by však byla velmi náročná, protože by vyžadovala, aby se supernova nacházela v blízkosti (v Mléčné dráze nebo v některé z jejích satelitních galaxií). Kromě toho jsou pozorovatelné supernovy vzácné, vyskytují se jednou za několik desetiletí.

Vzácnost a potenciál pozorování supernov
Naposledy astronomové pozorovali tento jev v roce 1987, kdy se ve Velkém Magellanově mračnu (LMC), zhruba 168 000 světelných let od Země, náhle objevila supernova typu II (SN1987A). V té době pozorovala LMC sonda NASA Solar Maximum Mission (SMM), která však nebyla dostatečně citlivá na to, aby detekovala předpokládanou intenzitu gama záření. Benjamin Safdi, docent fyziky na Kalifornské univerzitě v Berkeley a hlavní autor článku, to vysvětlil v nedávném prohlášení UC Berkeley News:

„Pokud bychom supernovu, jako je SN 1987A, pozorovali moderním gama teleskopem, byli bychom schopni detekovat nebo vyloučit tento QCD axion, tento nejzajímavější axion, ve velké části jeho parametrického prostoru, který nelze zkoumat v laboratoři, a ve velké části parametrického prostoru, který lze zkoumat v laboratoři. A to vše by se odehrálo během 10 sekund.“

Simulace na superpočítači a budoucí technologie
Prostřednictvím řady superpočítačových simulací, které využily SN1987A k omezení axionů s vyšší hmotností, Benjamin Safdi a jeho kolegové zjistili, že supernovy typu II současně produkují záblesky záření gama a neutrin. Dále poznamenali, že produkované záření gama bude záviset na hmotnosti axionů a bude trvat pouze 10 sekund po vzniku neutronové hvězdy. Poté by rychlost produkce prudce poklesla. To znamená, že vesmírný gama teleskop musí být namířen na supernovu přesně v ten správný čas.

Fermiho vesmírný gama teleskop je v současnosti jedinou observatoří schopnou detekovat kosmické zdroje gama záření. Na základě jeho zorného pole vědci odhadují, že Fermi má šanci zhruba jedna ku deseti, že objeví supernovu. Za tímto účelem tým navrhuje vytvořit gama teleskop nové generace známý jako GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS). Benjamin Safdi dodává:

„To nás skutečně přivedlo k úvahám o neutronových hvězdách jako optimálních cílech pro hledání axionů jako laboratoří axionů. Neutronové hvězdy mají mnoho výhod. Jsou to extrémně horké objekty. Jsou také hostiteli velmi silných magnetických polí. Nejsilnější magnetická pole v našem vesmíru se nacházejí v okolí neutronových hvězd, jako jsou magnetary, které mají magnetická pole desítky miliardkrát silnější než cokoliv, co můžeme vytvořit v laboratoři. To pomáhá přeměnit tyto axiony na pozorovatelné signály.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/a-dying-star-could-unlock-the-universes-biggest-mystery/

autor: František Martinek