W sercu gromady galaktyk oddalonej o 200 milionów lat świetlnych astronomowie nie zdołali wykryć hipotetycznych cząstek zwanych aksjonami.
To nakłada nowe ograniczenia na sposób, w jaki myślimy, że te cząstki działają, ale ma również dość poważne implikacje dla teorii strun i rozwoju teorii wszystkiego, która opisuje, jak działa fizyczny wszechświat.
Naukowcy wymyślili całkiem dobre teorie, jeśli chodzi o zrozumienie, jak działa wszechświat. Jedną z nich jest ogólna teoria względności, która opisuje, jak działa fizyka na poziomie makro. Drugi to mechanika kwantowa, która opisuje, jak rzeczy zachowują się na poziomie atomowym i subatomowym.
Duży problem polega na tym, że te dwie teorie nie pasują do siebie. Ogólnej teorii względności nie można sprowadzić do poziomu kwantowego, a mechaniki kwantowej nie można rozszerzyć. Podejmowano wiele prób zaprzyjaźnienia się z nimi, rozwijając tak zwaną teorię wszystkiego.
Jednym z najbardziej obiecujących kandydatów do rozwiązania różnic między ogólną teorią względności a mechaniką kwantową jest tak zwana teoria strun, która polega na zastępowaniu cząstek punktowych w fizyce cząstek drobnymi, wibrującymi jednowymiarowymi strunami.
Ponadto wiele modeli teorii strun przewiduje istnienie aksionów, cząstek o ultra-małej masie, po raz pierwszy wysuniętych hipotezą w latach 70. XX wieku, aby odpowiedzieć na pytanie, dlaczego silne siły atomowe są zgodne z tak zwaną symetrią parzystości ładunku, podczas gdy większość modeli twierdzi, że tak nie jest. . Jak się okazuje, teoria strun przewiduje również więcej cząstek zachowujących się jak aksjony, zwanych cząstkami podobnymi do aksjonów.
Jedną z właściwości cząstek podobnych do aksionów jest to, że mogą przekształcić się w foton, gdy przechodzą przez pole magnetyczne; i odwrotnie, fotony mogą przekształcić się w cząstki podobne do aksionów, gdy przechodzą przez pole magnetyczne. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia zależy od wielu czynników, w tym od siły pola magnetycznego, przebytej odległości i masy cząstki.
Naukowcy wykorzystali Obserwatorium Rentgenowskie Chandra do zbadania aktywnego jądra galaktyki NGC 1275, która znajduje się około 237 milionów lat świetlnych od nas, w centrum gromady galaktyk zwanej gromadą Perseusza.
Ich obserwacje w ciągu ośmiu dni zakończyły się znikomą lub żadną wiedzą o czarnej dziurze. Ale potem zdali sobie sprawę, że dane można wykorzystać do poszukiwania cząstek podobnych do aksionów.
„Światło rentgenowskie z NGC1275 musi przejść przez gorący gaz gromady w Perseuszu, a gaz ten jest namagnesowany” – wyjaśnił Reynolds.
Pole magnetyczne jest stosunkowo słabe (10 000 razy słabsze niż pole magnetyczne na powierzchni Ziemi), ale fotony muszą pokonać ogromną odległość przez to pole magnetyczne. Oznacza to, że istnieje duże możliwości przekształcenia tych fotonów w cząstki podobne do aksionów (pod warunkiem, że cząstki podobne do aksionów mają wystarczająco małą masę) ”.
Ponieważ prawdopodobieństwo konwersji zależy od długości fali fotonu, obserwacje powinny ujawnić zniekształcenie, ponieważ niektóre długości fal są przetwarzane wydajniej niż inne.
Naukowcom zajęło to około roku żmudnej pracy, ale ostatecznie nie znaleziono takiego zniekształcenia.
Oznacza to, że naukowcy mogą wykluczyć istnienie aksionów w zakresie mas, na który były wrażliwe ich obserwacje – do jednej miliardowej masy elektronu.
„Nasze badanie nie wyklucza istnienia tych cząstek, ale z pewnością nie pomaga w teorii strun” – powiedziała astronom Helen Russell z University of Nottingham w Wielkiej Brytanii.
Badanie zostało opublikowane w Astrophysical Journal.
Źródła: Zdjęcie: NASA / CXC / SAO / E.Bulbul, et al.
