Chandra-Bild des Perseus-Clusters. (NASA/CXC/SAO/E.Bulbul, et al.) Im Herzen eines 200 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxienhaufens ist es den Astronomen nicht gelungen, hypothetische Teilchen namens Axionen zu entdecken.
Dies führt zu neuen Einschränkungen hinsichtlich der Funktionsweise dieser Partikel, hat aber auch erhebliche Auswirkungen auf die Funktionsweise dieser Partikel Stringtheorie und die Entwicklung einer Theorie von allem, die beschreibt, wie das physische Universum funktioniert.
„Bis vor kurzem hatte ich keine Ahnung, wie viel Röntgenastronomen in die Stringtheorie einbringen, aber wir könnten eine wichtige Rolle spielen.“ sagte der Astrophysiker Christopher Reynolds von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich .
„Wenn diese Teilchen irgendwann entdeckt werden, würde das die Physik für immer verändern.“
Wenn es darum geht, zu verstehen, wie das Universum funktioniert, haben wir einige ziemlich gute Frameworks entwickelt. Einer ist generelle Relativität und beschreibt, wie die Physik auf Makroebene funktioniert. Eine andere ist die Quantenmechanik, die beschreibt, wie sich Dinge auf atomarer und subatomarer Ebene verhalten.
Das große Problem ist, dass die beiden Frameworks bekanntermaßen nicht miteinander auskommen. Die Allgemeine Relativitätstheorie lässt sich nicht auf die Quantenebene verkleinern und die Quantenmechanik lässt sich nicht vergrössern. Es gab viele Versuche, sie dazu zu bringen, gut zu spielen, und es wurde eine sogenannte „Theorie von Allem“ entwickelt.
Einer der vielversprechendsten Kandidaten für die Lösung der Unterschiede zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik ist etwas namens Stringtheorie Dabei werden in der Teilchenphysik die punktförmigen Teilchen durch winzige, schwingende eindimensionale Saiten ersetzt.
Darüber hinaus sagen viele Modelle der Stringtheorie die Existenz von Axionen voraus – den Teilchen mit extrem geringer Masse, die erstmals in den 1970er-Jahren als Hypothese aufgestellt wurden, um die Frage zu klären, warum starke Atomkräfte dem sogenannten folgen Ladungsparitätssymmetrie , während die meisten Modelle sagen, dass sie das nicht brauchen. Wie sich herausstellte, sagt die Stringtheorie auch eine große Anzahl von Teilchen voraus, die sich wie Axionen verhalten, sogenannte axionähnliche Teilchen.
Eine der Eigenschaften axionartiger Teilchen besteht darin, dass sie sich in ein Photon umwandeln können, wenn sie ein Magnetfeld passieren; und umgekehrt können sich Photonen in axionartige Teilchen umwandeln, wenn sie ein Magnetfeld passieren. Die Wahrscheinlichkeit dafür hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter der Stärke des Magnetfelds, der zurückgelegten Entfernung und der Masse des Teilchens.
Hier kommen Reynolds und sein Team ins Spiel. Sie hatten das Chandra-Röntgenobservatorium genutzt, um den aktiven Kern einer Galaxie namens zu untersuchen NGC 1275 die etwa 237 Millionen Lichtjahre entfernt liegt, im Herzen eines Galaxienhaufens namens Perseus-Haufen.
Ihre achttägigen Beobachtungen verrieten ihnen am Ende fast nichts darüber schwarzes Loch . Doch dann erkannten sie, dass die Daten zur Suche nach axionähnlichen Teilchen genutzt werden könnten.
„Das Röntgenlicht von NGC1275 muss durch das heiße Gas des Perseus-Clusters dringen, und dieses Gas ist magnetisiert.“ Reynolds erklärte .
„Das Magnetfeld ist relativ schwach (mehr als 10.000 Mal schwächer als das Magnetfeld an der Erdoberfläche), aber die Röntgenphotonen müssen eine enorme Distanz durch dieses Magnetfeld zurücklegen.“ Das bedeutet, dass es reichlich Möglichkeiten für die Umwandlung dieser Photonen in axionartige Teilchen gibt (vorausgesetzt, dass die axionartigen Teilchen eine ausreichend geringe Masse haben).“
Da die Umwandlungswahrscheinlichkeit von der Wellenlänge der Röntgenphotonen abhängt, sollten die Beobachtungen eine Verzerrung erkennen lassen, da einige Wellenlängen effektiver umgewandelt werden als andere. Das Team brauchte etwa ein Jahr sorgfältiger Arbeit, aber am Ende konnte keine solche Verzerrung festgestellt werden.
Dies bedeutet, dass das Team die Existenz von Axionen in dem Massenbereich ausschließen konnte, auf den ihre Beobachtungen empfindlich waren – bis hin zu etwa einem Millionstel eines Milliardstels der Masse eines Elektrons.
„Unsere Forschung schließt die Existenz dieser Partikel nicht aus, aber es hilft definitiv nicht weiter“, sagte die Astronomin Helen Russell von der University of Nottingham im Vereinigten Königreich .
„Diese Einschränkungen befassen sich mit dem Spektrum der von der Stringtheorie vorgeschlagenen Eigenschaften und können Stringtheoretikern dabei helfen, ihre Theorien zu entschärfen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Das Astrophysikalische Journal .