Absorption of bound supernova axion-like particles by the neutron star weakens the heating limits on their photon coupling

Tief im gewaltsamen Herzen eines kollabierenden Sterns erzeugt eine Supernova-Explosion Bedingungen, die so extrem sind, dass sie Teilchen gebären, die wir auf der Erde noch nie gesehen haben. Unter diesen hypothetischen Teilchen befinden sich axionähnliche Teilchen, winzige, geisterhafte Entitäten, die nur sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren. Falls diese Teilchen existieren, werden sie in riesigen Mengen im Inneren des neugeborenen Neutronensterns produziert, dem unglaublich dichten Überrest, der nach der Explosion zurückbleibt. Einige dieser Teilchen sind schnell genug, um den Stern zu verlassen und in das Universum zu fliegen, aber andere sind langsamer. Diese langsameren Teilchen können der intensiven Schwerkraft des Neutronensterns nicht entkommen; stattdessen werden sie gefangen und kreisen in einer riesigen, unsichtbaren Wolke um den Stern. Jahrzehntelang haben Physiker darüber nachgedacht, ob diese gefangene Wolke nachgewiesen werden könnte. Die Idee war, dass diese Teilchen, wenn sie schließlich zerfallen, in Licht umgewandelt würden, was die Oberfläche des alten, abkühlenden Neutronensterns aufheizen würde. Wenn wir diese zusätzliche Wärme messen könnten, könnten wir vielleicht endlich beweisen, dass diese Teilchen existieren.

Ein neues Studium von Forschern am National Institute of Technology in Rourkela, Indien, hat dieses Bild jedoch grundlegend verändert, indem es zeigte, dass der Stern selbst wie ein kosmischer Staubsauger wirkt. Die Forscher erkannten, dass frühere Berechnungen ein entscheidendes Detail übersehen hatten: Während diese Teilchen den Stern umkreisen, sind ihre Bahnen nicht perfekt kreisförmig. Viele dieser Bahnen tauchen tief in das Innere des Sterns ein. Da der Stern aus unglaublich dichter Materie besteht, wird jedes Teilchen, das hineintaucht, fast augenblicklich von dem dichten nuklearen Material absorbiert und zerstört. Die Forscher berechneten, dass ein Teilchen, um hunderte Millionen Jahre lang zu überleben, auf einer sehr spezifischen, weiten Umlaufbahn bleiben muss, die die Oberfläche des Sterns niemals berührt. Diese Entdeckung bedeutet, dass die überwältigende Mehrheit der gefangenen Teilchen vernichtet wird, lange bevor sie zerfallen und den Stern aufheizen können.

Um zu diesem Schluss zu kommen, baute das Team eine detaillierte Computersimulation darüber auf, wie sich ein neugeborener Neutronenstern in den ersten zehn Sekunden seines Lebens entwickelt. Sie verfolgten die Wege von Millionen dieser hypothetischen Teilchen, während der Stern schrumpfte und abkühlte. Sie fanden heraus, dass die Gravitation des Sterns die Bahnen der Teilchen nach innen zieht, was dazu führt, dass viele von ihnen mit dem Stern kollidieren. Einmal im Inneren, werden die Teilchen durch die dichte nukleare Materie innerhalb von Minuten oder sogar Sekunden absorbiert, ein Prozess, der weit schneller ist als die Zeit, die sie für den Zerfall benötigen. Die einzigen Teilchen, die überleben, sind jene, die in den äußeren Schichten des Sterns mit genau der richtigen Geschwindigkeit und Richtung geboren wurden, um in einer sicheren, kreisförmigen Umlaufbahn fern von der Oberfläche zu bleiben. Diese Überlebenden sind selten und tragen nur einen winzigen Bruchteil der Wärme, die frühere Theorien vorhergesagt hatten.

Dieser Befund erzwingt eine umfassende Revision der Grenzen dafür, wie diese Teilchen mit Licht interagieren. Frühere Studien deuteten darauf hin, dass, falls diese Teilchen existierten, sie alte Neutronensterne auf Temperaturen aufheizen würden, die wir leicht detektieren könnten. Da die neue Studie zeigt, dass die meisten Teilchen absorbiert werden, ist der Heizeffekt viel schwächer als zuvor angenommen. Folglich haben sich die Regeln für das Mögliche geändert. Die Forscher fanden heraus, dass ein kleines Fenster der Möglichkeit weiterhin besteht, in dem diese Teilchen überleben und einen Stern aufheizen könnten, aber die Bedingungen sind viel strenger. Die Teilchen müssen schwerer sein und auf eine sehr spezifische Weise mit Licht interagieren, die andere natürliche Effekte aufhebt. Selbst unter diesen strengen Bedingungen zeigt die Studie, dass der älteste und kälteste bekannte Neutronenstern, PSR J2144−3933, einen spezifischen Bereich von Teilchenmassen ausschließt.

Die Forscher untersuchten auch, wie die Größe des endgültigen Neutronensterns das Ergebnis beeinflusst. Sie fanden heraus, dass der Radius des Sterns ein entscheidender Faktor ist; ein etwas größerer Stern erlaubt es mehr Teilchen zu überleben, da ihre Bahnen weiter von der Oberfläche entfernt bleiben können. Ihre Simulationen zeigten, dass eine Änderung des Sternradius um nur wenige Kilometer die Anzahl der überlebenden Teilchen um den Faktor vier verändern kann. Darüber hinaus betrachteten sie andere Wege, wie diese Teilchen entstehen könnten, etwa durch Wechselwirkungen mit Pionen, einer Art von Teilchen, die im Inneren des Sterns existiert. Diese zusätzlichen Prozesse helfen tatsächlich mehr Teilchen zu überleben, was den Bereich möglicher Massen, in denen sie existieren könnten, erweitert, aber die Gesamtheizung bleibt schwach.

Letztendlich beweist diese Arbeit nicht, dass diese Teilchen nicht existieren, aber sie beweist, dass sie viel schwerer zu finden sind, als wir gehofft hatten. Das „Heizungs“-Signal, nach dem Astronomen suchten, ist wahrscheinlich zu schwach, um mit aktuellen Teleskopen gesehen zu werden, weil der Stern die Teilchen absorbiert, bevor sie ihre Arbeit verrichten können. Die Studie legt nahe, dass sich diese Teilchen, falls sie existieren, in einem sehr engen Bereich von Eigenschaften verstecken, und dass ihr Nachweis entweder viel empfindlichere Teleskope oder eine andere Methode der Detektion erfordern wird. Die Forscher betonen, dass ihre Ergebnisse von den spezifischen Modellen abhängen, wie sich Neutronensterne verhalten, und dass zukünftige Beobachtungen dieser Sterne das Bild weiter präzisieren könnten. Für den Moment ist die geisterhafte Wolke aus Teilchen um einen Neutronenstern kein warmer, leuchtender Beacon, sondern eine spärliche Sammlung von Überlebenden, die es geschafft haben, dem hungrigen Zugriff des Sterns zu entgehen.