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

Diep in het gewelddadige hart van een instortende ster creëert een supernova-explosie omstandigheden die zo extreem zijn dat ze deeltjes baren die we nooit op aarde hebben gezien. Onder deze hypothetische deeltjes bevinden zich axion-achtige deeltjes, kleine, spookachtige entiteiten die zeer zwak interageren met gewone materie. Als deze deeltjes bestaan, worden ze in enorme aantallen geproduceerd in de pasgeboren neutronenster, het ongelooflijk dichte restant dat achterblijft na de explosie. Sommige van deze deeltjes zijn snel genoeg om de ster te verlaten en de kosmos in te vliegen, maar andere zijn langzamer. Deze langzamere deeltjes kunnen de intense zwaartekracht van de neutronenster niet ontsnappen; in plaats daarvan raken ze gevangen en draaien ze in een baan rond de ster in een enorme, onzichtbare wolk. Decennialang hebben natuurkundigen zich afgevraagd of deze gevangen wolk gedetecteerd zou kunnen worden. Het idee was dat deze deeltjes, naarmate ze uiteindelijk vervallen, in licht zouden veranderen, waardoor het oppervlak van de oude, afkoelende neutronenster opwarmt. Als we deze extra warmte zouden kunnen meten, zouden we misschien eindelijk bewijzen dat deze deeltjes bestaan.

Echter, een nieuwe studie door onderzoekers van het National Institute of Technology in Rourkela, India, heeft dit beeld fundamenteel veranderd door aan te tonen dat de ster zelf fungeert als een kosmische stofzuiger. De onderzoekers realiseerden zich dat eerdere berekeningen een cruciaal detail over het hoofd hadden gezien: terwijl deze gevangen deeltjes rond de ster draaien, zijn hun banen niet perfect cirkelvormig. Veel van deze banen duiken diep het binnenste van de ster in. Omdat de ster is gemaakt van ongelooflijk dichte materie, wordt elk deeltje dat naar binnen duikt bijna onmiddellijk geabsorbeerd en vernietigd door het dichte nucleaire materiaal. De onderzoekers berekenden dat voor een deeltje om honderden miljoenen jaren te overleven, het in een zeer specifieke, brede baan moet blijven die de ster nooit raakt. Deze ontdekking betekent dat de overgrote meerderheid van de gevangen deeltjes wordt weggevaagd lang voordat ze kunnen vervallen en de ster opwarmen.

Om tot deze conclusie te komen, bouwde het team een gedetailleerde computersimulatie van hoe een pasgeboren neutronenster evolueert tijdens de eerste tien seconden van haar leven. Ze volgden de paden van miljoenen van deze hypothetische deeltjes terwijl de ster kromp en afkoelde. Ze ontdekten dat de zwaartekracht van de ster de banen van de deeltjes naar binnen trekt, waardoor veel van hen tegen de ster botsen. Eenmaal binnen worden de deeltjes binnen enkele minuten of zelfs seconden geabsorbeerd door de dichte nucleaire materie, een proces dat veel sneller gaat dan de tijd die nodig is voor hun verval. De enige deeltjes die overleven, zijn degenen die in de buitenste lagen van de ster zijn geboren met precies de juiste snelheid en richting om in een veilige, cirkelvormige baan ver van het oppervlak te blijven. Deze overlevers zijn zeldzaam en dragen slechts een fractie van de warmte die eerdere theorieën hadden voorspeld.

Deze bevinding dwingt tot een belangrijke herziening van de limieten op hoe deze deeltjes met licht interageren. Eerdere studies suggereerden dat als deze deeltjes zouden bestaan, ze oude neutronensterren zouden opwarmen tot temperaturen die we gemakkelijk zouden kunnen detecteren. Omdat de nieuwe studie aantoont dat de meeste deeltjes worden geabsorbeerd, is het opwarmende effect veel zwakker dan voorheen gedacht. Bij consequentie zijn de regels voor wat mogelijk is veranderd. De onderzoekers vonden dat er nog een klein venster van mogelijkheid bestaat waarbij deze deeltjes zouden kunnen overleven en een ster kunnen opwarmen, maar de omstandigheden zijn veel strikter. De deeltjes moeten zwaarder zijn en op een zeer specifieke manier met licht interageren die andere natuurlijke effecten opheft. Zelfs met deze strikte voorwaarden laat de studie zien dat de oudste en koudste bekende neutronenster, PSR J2144−3933, een specifiek bereik van deeltjesmassa's uitsluit.

De onderzoekers verkenden ook hoe de grootte van de uiteindelijke neutronenster de uitkomst beïnvloedt. Ze ontdekten dat de straal van de ster een cruciale factor is; een iets grotere ster staat meer deeltjes toe om te overleven omdat hun banen verder van het oppervlak kunnen blijven. Hun simulaties toonden aan dat het veranderen van de straal van de ster met slechts enkele kilometers de hoeveelheid overlevende deeltjes met een factor bijna vier kan veranderen. Bovendien hielden ze rekening met andere manieren waarop deze deeltjes kunnen worden gecreëerd, zoals door interacties met pionen, een type deeltje dat in de ster bestaat. Deze aanvullende processen helpen meer deeltjes te overleven, waardoor het bereik van mogelijke massa's waar zij in zouden kunnen bestaan wordt vergroot, maar de algehele opwarming blijft zwak.

Uiteindelijk bewijst dit werk niet dat deze deeltjes niet bestaan, maar het bewijst wel dat ze veel moeilijker te vinden zijn dan we hoopten. Het "verwarmingssignaal" waar astronomen naar op zoek waren, is waarschijnlijk te zwak om gezien te worden met de huidige telescopen omdat de ster de deeltjes absorbeert voordat ze hun werk kunnen doen. De studie suggereert dat als deze deeltjes er zijn, ze zich verschuilen in een zeer nauw bereik van eigenschappen, en het vinden ervan zal een veel gevoeligerere telescoop of een andere detectiemethode vereisen. De onderzoekers benadrukken dat hun resultaten afhangen van de specifieke modellen van hoe neutronensterren zich gedragen, en toekomstige observaties van deze sterren kunnen het beeld verder verfijnen. Voor nu is de spookachtige wolk van deeltjes rond een neutronenster geen warme, gloeiende baken, maar een schaarse collectie overlevers die erin zijn geslaagd de hongerige greep van de ster te ontwijken.