Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Việc tìm kiếm các trục từ ngôi sao gần đó Betelgeuse đã trở nên trống rỗng, thu hẹp đáng kể việc tìm kiếm hạt vật chất tối giả định.
Hạt axion khó nắm bắt nhẹ hơn electron nhiều lần, với các đặc tính hầu như không tạo ấn tượng gì đối với vật chất thông thường. Do đó, hạt ‘giống ma’ này là một ứng cử viên hàng đầu như một thành phần của vật chất tối – một loại vật chất giả thuyết, không nhìn thấy được, được cho là chiếm 85% khối lượng trong vũ trụ.
Axion cho đến nay vẫn tránh bị phát hiện. Các nhà vật lý dự đoán rằng nếu chúng tồn tại, chúng phải được tạo ra trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như lõi của các ngôi sao ở kết tủa của một siêu tân tinh. Khi những ngôi sao này phóng trục ra ngoài vũ trụ, các hạt khi gặp bất kỳ từ trường xung quanh nào, sẽ nhanh chóng biến đổi thành các photon và có khả năng tự bộc lộ ra ngoài.
Giờ đây, các nhà vật lý của MIT đã tìm kiếm các trục ở Betelgeuse, một ngôi sao gần đó dự kiến sẽ sớm biến mất như một siêu tân tinh, ít nhất là theo thang thời gian vật lý thiên văn. Với sự tàn lụi sắp xảy ra, Betelgeuse nên là một nhà máy tự nhiên của axion, liên tục tạo ra các hạt khi ngôi sao cháy đi.
Tuy nhiên, khi nhóm nghiên cứu tìm kiếm các chữ ký dự kiến của axion, dưới dạng các photon trong dải tia X, cuộc tìm kiếm của họ không có kết quả. Kết quả của họ loại trừ sự tồn tại của các trục siêu nhẹ có thể tương tác với các photon qua một loạt các năng lượng. Phát hiện này đặt ra những hạn chế mới đối với các đặc tính của hạt mạnh hơn ba lần so với bất kỳ thí nghiệm phát hiện axion trong phòng thí nghiệm nào trước đây.
Kerstin Perez, phó giáo sư vật lý tại MIT, cho biết: “Kết quả của chúng tôi nói là, nếu bạn muốn tìm kiếm những hạt thực sự nhẹ này, mà chúng tôi đã tìm kiếm, chúng sẽ không nói nhiều đến photon”. “Về cơ bản, chúng tôi đang làm cho cuộc sống của mọi người trở nên khó khăn hơn bởi vì chúng tôi đang nói, ‘bạn sẽ phải nghĩ về một thứ khác có thể cung cấp cho bạn tín hiệu axion.'”
Perez và các đồng nghiệp của cô đã công bố kết quả của họ ngày hôm nay trên tạp chí Physical Review Letters . Các đồng tác giả MIT của cô bao gồm tác giả chính Mengjiao Xiao, Brandon Roach, và Melaina Nynka, cùng với Maurizio Giannotti của Đại học Barry, Oscar Straniero của Đài quan sát Thiên văn Abruzzo, Alessandro Mirizzi của Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia ở Ý, và Brian Grefenstette của Caltech.
Một cuộc săn tìm khớp nối
Nhiều thí nghiệm hiện tại nhằm tìm kiếm các trục được thiết kế để tìm kiếm chúng như là một sản phẩm của hiệu ứng Primakoff, một quá trình mô tả một “khớp nối” lý thuyết giữa các trục và photon. Axion thường không được cho là tương tác với các photon – do đó khả năng chúng là vật chất tối. Tuy nhiên, hiệu ứng Primakoff dự đoán rằng, khi các photon chịu từ trường cường độ cao, chẳng hạn như trong lõi sao, chúng có thể biến dạng thành các trục. Do đó, trung tâm của nhiều ngôi sao là các nhà máy trục tự nhiên.
Khi một ngôi sao phát nổ trong một siêu tân tinh, nó sẽ đưa các trục bay ra ngoài vũ trụ. Nếu các hạt vô hình chạy vào một từ trường, chẳng hạn giữa ngôi sao và Trái đất, chúng sẽ biến trở lại thành các photon, có lẽ là với một số năng lượng có thể phát hiện được. Các nhà khoa học đang săn lùng các axion thông qua quá trình này, chẳng hạn từ mặt trời của chúng ta.
Nhưng mặt trời cũng có những đốm sáng và phát ra tia X. Thay vào đó, Perez và các đồng nghiệp của mình tìm kiếm các trục từ Betelgeuse, một ngôi sao thường không phát ra tia X. Ngôi sao nằm trong số những ngôi sao gần Trái đất nhất dự kiến sẽ sớm phát nổ.
Perez giải thích: “Betelgeuse đang ở nhiệt độ và lối sống mà bạn không mong đợi thấy tia X phát ra từ nó, thông qua vật lý thiên văn sao tiêu chuẩn. “Nhưng nếu axion tồn tại và sắp xuất hiện, chúng ta có thể thấy một dấu hiệu tia X. Vì vậy, đó là lý do tại sao ngôi sao này là một vật thể đẹp: Nếu bạn nhìn thấy tia X, đó là một tín hiệu súng đang bốc khói rằng nó phải là axion. “
“Dữ liệu là dữ liệu”
Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các dấu hiệu tia X của các trục từ Betelgeuse, sử dụng dữ liệu được lấy bởi NuSTAR, kính viễn vọng đặt trên không gian của NASA tập trung các tia X năng lượng cao từ các nguồn vật lý thiên văn. Nhóm nghiên cứu đã thu được 50 kilo giây dữ liệu từ NuSTAR trong thời gian kính thiên văn được đào tạo trên Betelgeuse.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã lập mô hình một loạt các phát xạ tia X mà họ có thể nhìn thấy từ Betelgeuse nếu ngôi sao phun ra các trục. Họ đã xem xét một loạt các khối lượng mà một trục có thể là, cũng như một loạt các khả năng mà các trục sẽ “kết đôi” và chuyển đổi lại thành một photon, tùy thuộc vào cường độ từ trường giữa ngôi sao và Trái đất.
Perez nói: “Trong số tất cả những mô hình đó, bạn sẽ nhận được một loạt các tín hiệu tia X của các trục có thể trông như thế nào.”
Tuy nhiên, khi họ tìm kiếm những tín hiệu này trong dữ liệu của NuSTAR, họ không tìm thấy gì cao hơn nền dự kiến của họ hoặc bên ngoài bất kỳ nguồn tia X vật lý thiên văn thông thường nào.
Xiao nói: “Betelgeuse có lẽ đang ở giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa và trong trường hợp đó sẽ có xác suất lớn chuyển đổi thành axion. “Nhưng dữ liệu là dữ liệu.”
Với phạm vi điều kiện mà họ đã xem xét, kết quả rỗng của nhóm nghiên cứu loại trừ một lượng lớn các khả năng và đặt giới hạn trên mạnh hơn ba lần so với các giới hạn trước đó, từ các tìm kiếm trong phòng thí nghiệm, cho một trục phải là gì. Về bản chất, điều này có nghĩa là nếu các trục có khối lượng siêu nhẹ, kết quả của nhóm nghiên cứu cho thấy rằng các hạt phải có ít nhất ba lần khả năng kết đôi với photon và phát ra bất kỳ tia X nào có thể phát hiện được.
Perez nói: “Nếu các trục có khối lượng siêu nhẹ, chúng tôi chắc chắn có thể cho bạn biết khớp nối của chúng phải rất nhỏ, nếu không chúng tôi đã nhìn thấy nó.”
Cuối cùng, điều này có nghĩa là các nhà khoa học có thể phải xem xét các dải năng lượng khác, ít có thể phát hiện hơn cho các tín hiệu trục. Tuy nhiên, Perez nói rằng việc tìm kiếm axion từ Betelgeuse vẫn chưa kết thúc.
Perez nói: “Sẽ là điều gì thú vị nếu chúng ta nhìn thấy một siêu tân tinh, nó sẽ đốt cháy một lượng lớn các trục không có trong tia X mà là tia gamma. “Nếu một ngôi sao phát nổ và chúng ta không nhìn thấy các trục, thì chúng ta sẽ nhận được những ràng buộc thực sự nghiêm ngặt đối với sự ghép nối của một trục với các photon. Vì vậy, mọi người đều khoanh tay để Betelgeuse ra đi.”
Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi NASA.
Nguồn truyện:
Vật liệu do Viện Công nghệ Massachusetts cung cấp . Bản gốc do Jennifer Chu viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :