Zijn er ook donkere sterren in het heelal? Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel
Voor het bestaan van donkere materie zijn vele indirecte aanwijzingen, maar alle speurtochten ten spijt is er afgelopen decennia nog nooit een kandidaat-deeltje donkere materie gevonden. En toch wordt er vol op over nagedacht en worden manieren bedacht om de mysterieuze onzichtbare deeltje toch te detecteren. Eén van de laatste loten aan de boom der DM-hypothesen is die van de donkere sterren. Dat zouden sterren zijn die niet bestaan uit gewone materie, zoals elementen met protonen, neutronen en elektronen, maar die uit een bepaald soort donkere materie zouden bestaan. Zoals we nu weten reageert donkere materie alleen op de zwaartekracht, één van de vier natuurkrachten die we kennen en daarvan is het de allerzwakste.
Voorstelling hoe een exploderende axionster waterstof in zijn omgeving kan doen ioniseren. Credit: Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.043018
Er is een theorie die zegt dat donkere materie bestaat uit ‘weakly interacting massive particles‘ (WIMPS), maar daarvan is op theoretischer gronden bekend dat die niet kunnen samenballen in kleine sterachtige objecten – ze kunnen hooguit enorme halo’s vormen die zich om sterrenstelsels heen bevinden. Maar een andere hypothetisch deeltje donkere materie is het axion, een zeer licht deeltje dat al in de jaren zeventig werd gedacht om bepaalde verschijnselen te verklaren. En laat axionen nu wel de mogelijkheid te hebben om samen te ballen. Het zijn bosonen, dat wil zeggen deeltjes met een heeltallige spin (in tegenstelling tot fermionen zoals protonen, neutronen en elektronen die een halftallige spin hebben) en daardoor kan je er een onbeperkt aantal van in een klein volume stoppen.
Credit: Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.043019
Berekeningen laten nu zien dat als axionen inderdaad samengebald zijn in een klein volume dat ze zich dan kunnen gedragen als een zogeheten Bose-Einstein condensaat en dan kunnen ze zich collectief als golf gedragen, de wetten van de kwantummechanika volgend. De samengebalde axionen zouden zo een ‘soliton’ kunnen vormen, een wolk van energie die kan bewegen zonder van vorm te veranderen – draaikolken die we in het water tegenkomen lijken er wel wat op. De solitons zouden uit kunnen groeien tot een objecte ter grootte van een ster of zelfs groter. Maar wat blijkt ook: ze zijn niet stabiel, bij een bepaalde kritische massa kunnen ze exploderen (zie de afbeelding hierboven). Wat je dan krijgt is geen supernova, maar een bosenova. Die zouden bepaalde eigenschappen hebben, zoals specifieke radiostraling, die ze doet onderscheiden van klassieke supernovae. De exploderende ‘axionsterren’ zouden waterstof in de buurt doen ioniseren en dat zou 21 cm-radiostraling opwekken die waarneembaar is. Met toekomstige telescopen zoals de Square Kilometer Array (SKA) radiotelescoop in Z-Afrika en Australië zou dat onderscheid gedetecteerd moeten kunnen worden, aldus de onderzoekers.
Impressie van SKA. Credit: SKAO.
Meer hierover is te vinden in deze twee vakartikelen:
- Miguel Escudero et al, Axion star explosions: A new source for axion indirect detection, Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.043018
- Xiaolong Du et al, Soliton merger rates and enhanced axion dark matter decay, Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.043019
