Intergalaktisk eksperiment: Forskere jagter mystisk mørkt stof-partikel med snedigt trick

Det er en fortælling om så ekstreme forhold, at det kan være svært at forstå.

Universets tungeste strukturer, galaksehobe, er en billiard gange mere massive end Solen. Omvendt er den mystiske axion-partikel meget lettere end selv det letteste atom.

Axioner er hypotetiske elementarpartikler, som kan være nøglen til at forstå, hvad mørkt stof er – det ukendte stof, som forskere mener udgør omkring 80 procent af universets masse.

Ingen har endnu bevist, at axioner rent faktisk eksisterer, selvom forskere har forsøgt i årtier. Men med et snedigt trick, der involverer fjerne galakser, er fysikere fra Københavns Universitet muligvis kommet tættere på end nogensinde før.

I stedet for at bruge en partikelaccelerator på Jorden, som den ved CERN, brugte forskerne universet som en slags gigantisk partikelaccelerator: De observerede elektromagnetisk stråling udsendt fra fjerne og meget lysstærke galakser med supermassive sorte huller i deres midte.

Derefter observerede de strålingen, mens den passerede galaksehobenes enorme magnetfelter, hvorigennem noget af strålingen hypotetisk set ville omdannes til axioner. Denne transformation efterlader små, tilfældige udsving i dataene. Men hvert signal er så svagt, at det går tabt i universets baggrundsstøj.

Så forskerne gjorde noget andet. I stedet observerede de 32 supermassive sorte huller bag galaksehobe og kombinerede derefter dataene fra deres observationer.

Da forskerne så nærmere på dataene, opdagede de et mønster, der kunne være axion-partiklens signatur.

“Normalt er signaler fra sådanne partikler uforudsigelige og fremstår som tilfældig støj. Men vi indså, at ved at kombinere data fra mange forskellige kilder, kunne vi forvandle al den støj til et tydeligt, genkendeligt mønster,” forklarer Oleg Ruchayskiy, lektor ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet og hovedforfatter på en ny artikel i Nature Astronomy, der forsøger at studere axionet. Han tilføjer:

“Det kommer til udtryk som et unikt trappeformet mønster, der viser, hvordan transformationen kunne se ud. Vi ser det kun som antydningen af et signal i vores data, men det er stadig meget spændende. Man kunne kalde det en kosmisk hvisken, der nu er tydelig nok til at blive hørt.”

Det trappeformede mønster

Fjerne galakser med et supermassivt sort hul i midten udsender enorme mængder energi og lys. Disse galakser er også kraftige kilder til en type elektromagnetisk stråling kendt som gammastråler, som forskerne bag studiet er interesserede i.

“Vi kiggede på disse sorte huller gennem galaksehobe. Galaksehobe er blandt de største strukturer i universet, som indeholder enorme magnetfelter. De fungerer som en slags prisme, hvorigennem noget af gammastrålingen i teorien ville blive til axioner,” forklarer lektor Oleg Ruchayskiy.

Ved at observere 32 forskellige sorte huller placeret bag galaksehobe og kombinere dataene fra deres observationer, dukkede den trappeformede signatur op.

Tættere på at opdage mørkt stof

Selvom mønsteret ikke er et endeligt bevis for eksistensen af axioner, bringer Oleg Ruchayskiy og hans kollegers forskning os tættere på at forstå, hvad mørkt stof er.

“Vores metode har i høj grad gjort os klogere på axioner. Det har i praksis gjort det muligt for os at kortlægge et stort område, som vi nu ved ikke indeholder axionen, og dermed indsnævre det område, hvor den kan findes,” siger postdoc Lidiia Zadorozhna, der har Marie Curie-stipendiat ved Niels Bohr Institutet og en af hovedforfatterne på den nye artikel.

Det specifikke eksperiment fokuserede på en type elektromagnetisk stråling kaldet gammastråler, men metoden kan også anvendes på andre typer stråling, som for eksempel røntgenstråler.

“Vi er så begejstrede, fordi det ikke bare er et engangsfremskridt. Metoden gør det muligt for os at udvide grænserne for sådanne eksperimenter og har åbnet en ny vej til at studere disse partikler. Teknikken kan gentages af os, af andre grupper, med mange forskellige masser og energier. På den måde kan vi tilføje flere brikker til puslespillet om at forstå mørkt stof,” siger Lidiia Zadorozhna.

Læs studiet “Constraints on axion-like particles from active galactic nuclei seen through galaxy clusters”.