新しい研究では、ダークマターがアクシオンと呼ばれる理論上の粒子で構成されている可能性を調査し、パルサーから放出される余分な光を通してそれらを検出することに焦点を当てています。予備的な観測ではアクシオンはまだ確認されていないが、この研究は暗黒物質を理解する上で極めて重要である。

現在の暗黒物質の探索における中心的な疑問は、「暗黒物質は何でできているのか?」ということです。考えられる答えの 1 つは、暗黒物質はアクシオンと呼ばれる粒子で構成されているということです。アムステルダム大学とプリンストン大学の天体物理学者による最近の研究では、暗黒物質が実際にアクシオンでできているのであれば、それは脈動する星からのかすかな余分な輝きの形で現れる可能性があると提案しています。

暗黒物質は、私たちの宇宙で最も熱い成分かもしれません。驚くべきことに、物理学者や天文学者がこれまで検出できていないこの神秘的な物質の形は、宇宙の物質の大部分を占めていると考えられています。宇宙の物質の 85% 以上は「暗黒物質」であると疑われており、これは現在、他の天体に及ぼす重力によってのみ検出できます。科学者がさらに多くのことを望むのは当然です。彼らは暗黒物質を実際に見たい、あるいは少なくとも重力の影響から推測するのではなく、その存在を直接検出したいと考えています。もちろん、彼らは暗黒物質が何なのかも知りたいと思っています。

2 つの問題を解決する

一つ明らかなことは、暗黒物質はあなたと私を構成するものと同じものではありえないということです。もしそうであれば、暗黒物質は通常の物質のように振る舞い、星のような物体を形成し、輝き、もはや「暗黒」ではなくなるでしょう。そこで科学者たちは、何か新しいもの、つまり、私たちが知っている種類の粒子と非常に弱くしか相互作用しない可能性が高い未検出の粒子を探しています。これが、私たちの世界のこの構成要素がこれまでとらえどころのない理由を説明しています。

探すべき手がかりはたくさんあります。一般的な仮説の 1 つは、暗黒物質はアクシオンでできているのではないかというものです。この仮説上の粒子タイプは、暗黒物質とは関係のない問題を解決するために 1970 年代に初めて登場しました。通常の原子の構成要素の 1 つであるため、中性子内の正電荷と負電荷の分離は驚くほど小さいです。科学者は確かにその理由を知りたいと思っています。これまで発見されていなかった粒子が中性子の成分と非常に弱く相互作用して、まさにこの効果を生み出すことが判明した。後にノーベル賞受賞者のフランク・ウィルチェクは、この新しい粒子に「アクシオン」という名前を付けました。これは、陽子、中性子、電子、光子などの他の粒子と名前が似ているだけでなく、同じ名前の洗剤からインスピレーションを得たものでもあります。アクシオンは問題を解決するために登場しました。

実際、検出されたことはありませんが、2 つの問題が解決される可能性があります。ひも理論 (自然界のすべての力を統合する有力な候補の 1 つ) を含むいくつかの基本的な粒子理論は、アクシオンのような粒子の存在の可能性を予測しているようです。もしアクシオンが存在するなら、それらは失われた暗黒物質の一部、あるいはすべてを補うこともできるのでしょうか?おそらくそうかもしれませんが、すべての暗黒物質研究を悩ませているもう 1 つの疑問は、アクシオンにも同様に当てはまります。 「暗い」ものを可視化するにはどうすればよいでしょうか?

暗黒物質を照らす

アクシオンにとって幸いなことに、この難題を回避する方法があるようです。アクシオンを予測する理論が正しければ、アクシオンは宇宙で大量に生成されると予想されるだけでなく、一部のアクシオンは強い電磁場の影響で光に変換される可能性がある。光があれば、私たちは見ることができます。これがアクシオン、ひいては暗黒物質を検出する鍵となるでしょうか?

この質問に答えるために、科学者はまず、宇宙で既知の最も強い電場と磁場がどこで発生するのかを自問する必要があります。答えは、パルサーとしても知られる、回転する中性子星の周囲の領域にあります。これらのパルサー (「パルサー」の略) は、太陽とほぼ同じ質量を持つコンパクトな天体ですが、半径は約 10 万倍小さく、わずか約 10 キロメートルです。パルサーは非常に小さいですが、非常に高い周波数で回転し、回転軸に沿って明るく細い無線エネルギーのビームを放射します。パルサーのビームは灯台のように機能し、地球上を一掃することができるため、パルサーを容易に観察できます。

ただし、パルサーの巨大な回転にはそれだけではありません。中性子星を非常に強力な電磁石に変えます。これは、パルサーが非常に効率的なアクシオン工場であることを意味する可能性があります。通常のパルサーは 1 秒あたり 50 桁のアクシオンを生成できます。パルサーを取り囲む強力な電磁場により、これらのアクシオンの一部は観測可能な光に変換される可能性があります。つまり、アクシオンが存在した場合ですが、このメカニズムを使用してその質問に答えることができます。パルサーを観察して、余分な光を放出しているかどうかを確認し、放出している場合は、その余分な光がアクシオンから来ているかどうかを判断します。

微妙な輝きをシミュレートする

科学の分野において、実際にそのような観察を行うことは確かにそれほど簡単ではありません。アクシオンが発する光は電波として検出できますが、これらの明るい宇宙ビーコンが私たちに発する光全体のほんの一部にすぎません。違いを確認できるようにするには、アクシオンのないパルサーとアクシオンのあるパルサーがどのように見えるかを非常に正確に知る必要があります。違いを定量化し、それを暗黒物質の量の尺度に変換することは言うまでもありません。

それはまさに物理学者と天文学者のチームが現在行っていることです。研究チームは、オランダ、ポルトガル、米国で協力し、アクシオンがどのように生成されるか、中性子星の重力からどのように逃げるか、そして脱出の過程でどのように低エネルギー放射線に変換されるかについての詳細な理解を提供する包括的な理論的枠組みを構築した。

これらの理論的結果はコンピューターに入力され、最先端のプラズマ数値シミュレーションを使用してパルサー周囲のアクシオンの生成をシミュレートしました。プラズマの数値シミュレーションは、もともとパルサーが電波を放射する仕組みの背後にある物理学を理解するために開発されました。仮想的に生成されると、中性子星の電磁場におけるアクシオンの伝播がシミュレートされます。これにより、研究者らはその後の電波の生成を定量的に理解し、このプロセスがパルサー自体によって生成される固有の放射に加えて追加の電波信号をどのように提供するかをモデル化することができました。

軸モデルをテストする

次に、理論とシミュレーションの結果を最初の観察テストに掛けました。研究者らは、近くにある27個のパルサーの観測を利用して、観測された電波をモデルと比較し、測定された超過がアクシオンの存在の証拠を提供できるかどうかを判断した。残念ながら、答えは「ノー」です。もっと楽観的に言えば、「まだ」です。アクシオンはすぐには現れませんでしたが、おそらくそれは私たちが期待していたものではありませんでした。もし暗黒物質がその秘密をいとも簡単に漏らしてしまったなら、ずっと前に観測されていたでしょう。

したがって、今後の観測でアクシオンが見つかることを期待するしかありません。同時に、これまでアクシオンからの電波信号が観測されていないという事実自体が興味深い結果である。シミュレートされたパルサーと実際のパルサーの間の最初の比較により、アクシオンと光の相互作用に関してこれまでで最も厳しい制限が設定されました。

もちろん、私たちの最終的な目標は、単に限界を設定することではなく、アクシオンが存在することを証明すること、またはアクシオンが暗黒物質の構成要素であることがまったくあり得ないことを保証することです。新しい結果は、この方向への第一歩にすぎません。それらは、アクシオンの研究を大きく前進させる可能性を秘めた、高度に学際的な新しい分野の始まりにすぎません。

参考文献「Dion Noordhuis、Anirudh Prabhu、Samuel J. Witte、Alexander Y.C hen)、Fábio Cruz、Christoph Weniger、「パルサー極冠カスケードで生成されるアクシオンに対する新しい制約」、2023 年 9 月 15 日、「Physical Review Letters」。

DOI:10.1103/PhysRevLett.131.111004

コンパイルされたソース: ScitechDaily