Neutronová hvězda. Kredit: NASA's Goddard Space Flight Center.

Už dávno víme, že přistihnout temnou hmotu nebude jen tak. Máme sice gravitační stopy její existence, ty jsou ale jen nepřímé a nikoliv zcela jednoznačné. Chtělo by to nějaký pořádný důkaz a Nobelova cena bude téměř zaručená. Jenomže kde začít? Jak hledat? Jednou ze zajímavých možností je pátrat po místech, kde by se temná hmota za určitých podmínek mohla projevit. Takové astrofyzikální pentagramy, v nichž by se mohli zjevit démoni v podobě signálu temné hmoty.

Anson Hook.

Kredit: University of Maryland.

Anson Hook z Marylandské univerzity a jeho kolegové věří, že by takovým místem mohla být neutronová hvězda. Podle jejich výpočtů by temná hmota, pokud splňuje určitě předpoklady, mohla v nitru neutronové hvězdy vytvářet sice slabý, ale přitom úzkopásmový a za příznivých okolností detekovatelný rádiový signál.

Aby to Hookovi a spol. fungovalo, tak by temnou hmotu musely tvořit axiony. Axion je velice lehká hypotetická částice, jejíž hmotnost by měla být nižší než 1 eV. V porovnání s axiony je řada jiných hypotetických kandidátů na temnou hmotu přímo gargantuózních, s hmotnostmi kolem 1 miliardy eV. Pokud by hledanou částicí temné hmoty byl skutečně axion, tak by měl jednu pozoruhodnou výhodu. Axiony by totiž za jistých okolností měly slabě reagovat s fotony. Problém je ale v tom, že by takový signál byl velice slabý a tudíž nesmírně obtížně zachytitelný.

Kandidáti na temnou hmotu (verze z roku 2007). Axion zeleně, zhruba uprostřed. Na horizontální ose je hmotnost, vertikálně účinný průřez. Kredit: DMSAG report (2007).

Teď ale přicházejí ke slovu Hook a spol. Podle nichž by totiž neutronové hvězdy mohly fungovat jako astrofyzikální zesilovače, které takový signál axionové temné hmoty zviditelní pro naše přístroje. Neutronové hvězdy představují vskutku extrémní objekty. Jsou téměř nepředstavitelně husté a mají velice silná magnetická pole. Což se hodí pro detekci axionové temné hmoty.

Axiony, pokud existují, se totiž v silném magnetickém poli mohou rozpadat na fotony. Tento rozpad by přitom měl být nejvíce intenzivní v určité vzdálenosti od neutronové hvězdy, kde rychlost a hmotnost axionu odpovídá rychlosti a energii fotonů rádiových vln. Díky souhře fyzikálních okolností by takto mohl vznikat relativně silný rádiový signál, navíc v dost úzkém pásmovém rozsahu, což by ještě více usnadnilo detekci takového signálu. Pokud by se dotyčná neutronová hvězda nacházela poblíž centra galaxie, kde předpokládáme relativně vysokou hustotu temné hmoty, tak by tam zmíněný proces tvorby rádiového signálu axionové temné hmoty mohl být ještě o několik řádů silnější.

Mohli bychom detekovat rádiové signály axionové temné hmoty, zesílené neutronovými hvězdami? Podle všeho ano. Hook a jeho tým spočítali, že minimálně u dvou blízkých neutronových hvězd by se to teoreticky mohlo podařit i s radioteleskopy, které jsou v dnešní době v provozu. Problém je v tom, že zdaleka ne každý pulsar je pro takové pozorování vhodný. Musí to být neutronová hvězda, která naším směrem neposílá rádiové vlny. Nebo alespoň neposílá rádiových vlny na srovnatelných frekvencích, jaké očekáváme od signálu axionové temné hmoty. Teď už jenom zbývá zkusit signál axionů chytit.

Video: Axions 1 (TASI 2018) - Anson Hook (Maryland)


Literatura
Ars Technica 20. 12. 2018, Physical Review Letters 121: 241102.