Röntgenstraling Magnificent Seven wijst mogelijk op bestaan van axionen, deeltjes donkere materie

De röntgenstraling van een groepje jonge, nabije neutronensterren zou mogelijk geproduceerd kunnen zijn door axionen, hypothetische deeltjes die een kandidaat zijn voor donkere materie. Een groep onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft de straling bestudeerd van een klein groepje neutronensterren, de zogeheten Magnificent Seven. Neutronensterren zijn zeer compacte, snel roterende objecten – de massa van de zon gestopt in een bolletje met een doorsnede van pakweg 15 km, die omvang. Ooit waren neutronensterren zware sterren, maar na een supernova-explosie bliezen ze hun buitenlagen weg en hun kern kromp ineen tot neutronenster. Als hun jets, die vanuit de magnetische polen de ruimte in spuwen, naar de aarde zijn gericht dan zien we de neutronensterren als pulsars. Is de jet niet naar de aarde gericht dan verwacht men van neutronensterren alleen zachte (laagenergetische) röntgenstraling en ultraviolette straling. Maar daar voldoen de jonge (pakweg enkele honderduizenden jaren oude) neutronensterren van de Magnificent Seven ^[1]dat zijn RX J1856.5-3754, RBS1556, RBS1223, RX J0806.4-4132, RX J0720.4-3125, RX J0420.0-5022 en 1RXS J214303.7+065419/RBS 1774 om precies te zijn, allemaal ontdekt met de ROSAT satelliet. dus niet aan: die zenden ook harde (hoogenergetische) röntgenstraling uit, zoals waargenomen door de Amerikaanse Chandra en Europese XMM-Newton röntgensatellieten. En da’s theoretisch goed te verklaren als je aanneemt dat in de extreme omstandigheden van die neutronensterren axionen worden omgezet in hoogenergetische fotonen.

Het axion – genoemd naar een schoonmaakmiddel – werd al in 1977 geopperd om duidelijk te maken waarom neutronen nooit reageren op een electrisch veld, terwijl de quarks waar ze uit bestaan dat wel doen – daar werd de Peccei-Quinn theorie voor in het leven geroepen en die vereiste het bestaan van het axion. Dankzij de axionen kan het neutron elektrisch neutraal zijn en blijven én ze verklaren waarom we niet op grote schaal deeltjes zien die de zogeheten CP-symmetrie schenden (het zogeheten sterke CP-probleem). Zomer vorig jaar kwam in het nieuws dat men met de XENON1T detector mogelijk een signaal van axionen had gezien. En nu dus die axionen bij de neutronensterren. Door het sterke magnetische veld van de neutronensterren zouden de axionen kunnen converteren in hoogenergetische fotonen, die Chandra en XMM-Newton als harde röntgenstraling hebben gezien. Men heeft gekeken of er andere verklaringen mogelijk zijn, zoals röntgenbronnen gelegen áchter de zeven neutronensterren, maar die zijn allemaal afgevallen. Men wil nu kijken of men ook bij witte dwergen, compacte sterren die ook een sterk magnetisch veld hebben, harde röntgenstraling kan ontdekken, zodat dit een bevestiging zou zijn van het vermoeden dat hier axionen een rol spelen.

Vakartikel
“Axion Emission Can Explain a New Hard X-Ray Excess from Nearby Isolated Neutron Stars,” Malte Buschmann et al., 2021 January 12, Physical Review Letters.

Bron: Berkeley Lab.