6 maart 2021

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

Impressie van de XMM-Newton röntgen-ruimtetelescoop. CREDIT: D. Ducros, ESA/XMM-Newton, CC BY-SA 3.0 IGO

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] 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.

Feynman diagram van een axion-foton interactie

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.

  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. []

Comments

  1. Wybren de Jong zegt

    Ik vind dit zeer interessant: dat we deeltjesfysica kunnen ontwikkelen met waarnemingen aan neutronensterren!

  2. ik denk nog steeds dat die röntgenstraling wordt geproduceerd door Compton scattering of Bremsstrahlung waarbij de hogere energie van gammastraling wordt getransformeerd naar een lager energieniveau i.e. die röntgenstraling . http://www.radiation-dosimetry.org/what-is-gamma-ray-gamma-radiation-definition/ en deze https://en.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung#/media/File:Bremsstrahlung.svg
    Zelf zeggen ze dat axionen converteren in röntgen, maar het zou dus ook zonder axionen kunnen, als je daar een stevige gammabron hebt, en die zijn er zat dacht ik zo.

    • Maar dan is de vraag of neutronensterren sterke bronnen van gammastraling zijn. Is dat waargenomen?

    • Wybren de Jong zegt

      Nico, ik zou je aanraden om het artikel “HARD X-RAY EXCESS FROM THE MAGNIFICENT SEVEN NEUTRON STARS” te lezen, dat in november 2020 uitkwam. Hierin wordt heel precies naar mogelijke andere verklaringen gekeken (anders dan door anionen) en wordt het resultaat vergeleken met wat men weet van andere pulsars.
      https://arxiv.org/pdf/1910.02956.pdf

      vooral paragraaf 5: POSSIBLE ORIGINS OF THE XDINS HARD X-RAY EXCESS

      • Bedankt @Wybren, een hele lap… maar let wel, bij het schrijven van een artikel ga je uit van een hypothese, in dit geval, (je link) bewijzen dat er een nieuw deeltje nodig is (waarvan je de eigenschappen zelf mag invullen) om de waarnemingen hard te maken, (1 van de 3 genoemde mogelijkheden lees ik). ” One possible exotic origin for the hard X-ray flux is the emission of hypothetical particles called axions within the NS cores and the subsequent conversion of these axions into hard X-rays in the magnetosphere. The predicted spectrum from this scenario is hard and consistent with the index observed from, e.g., RX J1856.6- 3754. This possibility was the original motivation for the analyses described in this work, and is discussed in more depth in the companion paper (Buschmann et al. 2019). On the other hand, this scenario is by far the most drastic, as it requires the existence of a new fundamental particle of nature. Helaas niets te vinden over gamma straling, het was bij mij ook maar een oprisping en verklaart ook niet echt het smalle röntgen spectrum van 2-8 Kev.

  3. Ik lees hier (art 15 jan 2021) dat blazar PKS 2155-304 bijna hetzelfde spectrum aan harde en zachte röntgen uitstraalt. De schrijvers menen dat dit afkomstig is van leptons i.p.v. axionen. “This indicates that the emissions in soft and hard bands are probably cospatial and emitted from the same population of leptons.” https://arxiv.org/abs/2101.05977

    • Maar dat gaat over blazars, dus quasars met superzware zwarte gaten als motor, wiens jet naar de aarde is gericht. Geen neutronensterren dus.

      • Klopt Arie, maar het gaat mij om de onderliggende vraag, wat is die “a” in dat Feynman diagrammetje, zijn dat axionen of gewoon een leptons… die laatsten komen in beide situaties voor en zijn dus een prima kandidaat voor die straling zonder noodzaak voor een nieuw deeltje.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: