Chandra Data test 'Theory of Everything'

[univers]

Een van de grootste ideeën in de natuurkunde is de mogelijkheid dat alle bekende krachten, deeltjes en interacties in één raamwerk kunnen worden verbonden. Snaartheorie is misschien wel het bekendste voorstel voor een 'theorie van alles' dat ons begrip van het fysieke universum zou verbinden.

Ondanks dat er gedurende tientallen jaren veel verschillende versies van snaartheorie circuleren in de natuurkundegemeenschap, zijn er zeer weinig experimentele tests geweest. Astronomen die NASA's Chandra X-ray Observatory gebruiken, hebben op dit gebied echter een belangrijke stap voorwaarts gemaakt.

Door te zoeken in clusters van sterrenstelsels, de grootste structuren in het heelal bij elkaar gehouden door de zwaartekracht, konden onderzoekers jagen op een specifiek deeltje dat volgens veel modellen van snaartheorie zou moeten bestaan. Hoewel de resulterende niet-detectie de snaartheorie niet helemaal uitsluit, levert het wel een klap op voor bepaalde modellen binnen die ideeënfamilie.

"Tot voor kort had ik geen idee hoeveel röntgenastronomen op tafel komen als het gaat om snaartheorie, maar we zouden een grote rol kunnen spelen", zegt Christopher Reynolds van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk, die de studie. "Als deze deeltjes uiteindelijk worden gedetecteerd, zou dit de natuurkunde voor altijd veranderen."

Het deeltje waarnaar Reynolds en zijn collega's op zoek waren, wordt een 'axion' genoemd. Deze nog niet ontdekte deeltjes moeten een buitengewoon lage massa hebben. Wetenschappers kennen het precieze massabereik niet, maar veel theorieën bevatten axionmassa's variërend van ongeveer een miljoenste van de massa van een elektron tot een massa van nul. Sommige wetenschappers denken dat axions het mysterie van donkere materie kunnen verklaren, wat de overgrote meerderheid van materie in het universum voor zijn rekening neemt.

Een ongebruikelijke eigenschap van deze ultra-lage massa deeltjes zou zijn dat ze soms kunnen worden omgezet in fotonen (dat wil zeggen pakketten licht) wanneer ze door magnetische velden gaan. Het omgekeerde kan ook waar zijn: fotonen kunnen onder bepaalde omstandigheden ook worden omgezet in axies. Hoe vaak deze omschakeling plaatsvindt, hangt af van hoe gemakkelijk ze deze conversie maken, met andere woorden van hun "convertibiliteit".



Sommige wetenschappers hebben het bestaan ​​voorgesteld van een bredere klasse van deeltjes met een ultralage massa met vergelijkbare eigenschappen als axions. Axions zouden bij elke massa een enkele convertibiliteitswaarde hebben, maar "axionachtige deeltjes" zouden bij dezelfde massa een convertibiliteitsbereik hebben.

"Het klinkt misschien als een afstandsschot om te zoeken naar minuscule deeltjes zoals axions in gigantische structuren zoals sterrenstelselclusters, het zijn eigenlijk geweldige plekken om te kijken", zegt co-auteur David Marsh van de Stockholm University in Zweden. “Melkwegclusters bevatten magnetische velden over gigantische afstanden en ze bevatten ook vaak heldere röntgenbronnen. Samen vergroten deze eigenschappen de kans dat conversie van axionachtige deeltjes detecteerbaar zou zijn. ”

Om tekenen van conversie door axionachtige deeltjes te zoeken, onderzocht het team van astronomen gedurende vijf dagen Chandra-waarnemingen van röntgenstralen van materiaal dat naar het superzware zwarte gat in het centrum van de Perseus-melkwegcluster valt. Ze bestudeerden het Chandra-spectrum, of de hoeveelheid röntgenstraling die bij verschillende energieën werd waargenomen, van deze bron. De lange waarneming en de heldere röntgenbron gaven een spectrum met voldoende gevoeligheid om vervormingen te vertonen die wetenschappers verwachtten als er axionachtige deeltjes aanwezig waren.

Door het ontbreken van dergelijke vervormingen konden de onderzoekers de aanwezigheid van de meeste soorten axionachtige deeltjes in het massabereik uitsluiten waarvoor hun waarnemingen gevoelig waren, minder dan ongeveer een miljoenste van een miljardste van de massa van een elektron.


"Ons onderzoek sluit het bestaan ​​van deze deeltjes niet uit, maar het helpt hun zaak zeker niet", zegt co-auteur Helen Russell van de University of Nottingham in het VK. "Deze beperkingen graven in het bereik van eigenschappen die worden voorgesteld door de snaartheorie en kunnen snaartheoretici helpen hun theorieën te schrappen."

Het laatste resultaat was ongeveer drie tot vier keer gevoeliger dan de vorige beste zoektocht naar axionachtige deeltjes, die afkomstig was van Chandra-waarnemingen van het superzware zwarte gat in M87. Deze Perseus-studie is ook ongeveer honderd keer krachtiger dan de huidige metingen die in laboratoria hier op aarde kunnen worden uitgevoerd voor de massa's die ze hebben overwogen.

Een mogelijke interpretatie van dit werk is duidelijk dat axion-achtige deeltjes niet bestaan. Een andere verklaring is dat de deeltjes nog lagere convertibiliteitswaarden hebben dan de detectiegrens van deze waarneming, en lager dan sommige deeltjesfysici hadden verwacht. Ze kunnen ook een hogere massa hebben dan met de Chandra-gegevens is onderzocht.

Een papieren beschrijving van deze resultaten verschenen in de februari 10 th , 2020 nummer van The Astrophysical Journal en is online beschikbaar . Naast Reynolds, Marsh en Russell zijn de auteurs van dit artikel Andrew C. Fabian, ook van de Universiteit van Cambridge, Robyn Smith van de Universiteit van Maryland in College Park, Maryland, Francesco Tombesi van de Universiteit van Rome in Italië , en Sylvain Veilleux, ook van de Universiteit van Maryland.

Het Marshall Space Flight Center van NASA beheert het Chandra-programma. Het Chandra X-ray Center van het Smithsonian Astrophysical Observatory bestuurt de wetenschap en vluchtactiviteiten vanuit Cambridge en Burlington, Massachusetts.

https://chandra.harvard.edu/photo/2020/perseus/

https://www.nasa.gov/mission_pages/chan ... thing.html