Im Herzen eines 200 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxienhaufens konnten Astronomen hypothetische Teilchen, sogenannte Axionen, nicht entdecken.
Dies stellt neue Einschränkungen für die Funktionsweise dieser Teilchen dar, hat jedoch auch einige schwerwiegende Auswirkungen auf die Stringtheorie und die Entwicklung der Theorie von Allem, die beschreibt, wie das physikalische Universum funktioniert.
Wenn es darum geht zu verstehen, wie das Universum funktioniert, haben Wissenschaftler einige ziemlich gute Theorien aufgestellt. Eine davon ist die allgemeine Relativitätstheorie, die beschreibt, wie die Physik auf Makroebene funktioniert. Die andere ist die Quantenmechanik, die beschreibt, wie sich die Dinge auf atomarer und subatomarer Ebene verhalten.
Das große Problem ist, dass die beiden Theorien nicht miteinander auskommen. Die allgemeine Relativitätstheorie kann nicht auf die Quantenebene reduziert und die Quantenmechanik nicht erweitert werden. Es gab viele Versuche, sie durch die Entwicklung der sogenannten Theorie von Allem dazu zu bringen, Freunde zu werden.
Einer der vielversprechendsten Kandidaten zur Lösung der Unterschiede zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik ist die sogenannte Stringtheorie, bei der Punktteilchen in der Teilchenphysik durch winzige, vibrierende eindimensionale Strings ersetzt werden.
Darüber hinaus sagen viele stringtheoretische Modelle die Existenz von Axionen voraus, Teilchen mit extrem geringer Masse, die erstmals in den 1970er Jahren angenommen wurden, um die Frage zu beantworten, warum starke Atomkräfte der sogenannten Ladungsparitätssymmetrie folgen, wenn die meisten Modelle dies nicht sagen. . Wie sich herausstellt, sagt die Stringtheorie auch mehr Teilchen voraus, die sich wie Axionen verhalten, sogenannte axionähnliche Teilchen.
Eine der Eigenschaften axionartiger Teilchen besteht darin, dass sie sich beim Durchgang durch ein Magnetfeld in ein Photon verwandeln können. Umgekehrt können sich Photonen in axionartige Teilchen verwandeln, wenn sie ein Magnetfeld passieren. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Stärke des Magnetfelds, der zurückgelegten Entfernung und der Partikelmasse.
Wissenschaftler verwendeten das Chandra-Röntgenobservatorium, um den aktiven Kern der Galaxie NGC 1275 zu untersuchen, die etwa 237 Millionen Lichtjahre entfernt im Zentrum eines Galaxienhaufens liegt, der als Perseus-Haufen bezeichnet wird.
Ihre Beobachtungen über acht Tage endeten mit wenig bis gar keiner Kenntnis des Schwarzen Lochs. Dann erkannten sie jedoch, dass die Daten zur Suche nach axionartigen Partikeln verwendet werden konnten.
“Röntgenlicht von NGC1275 muss das heiße Gas des Perseus-Clusters passieren, und dieses Gas wird magnetisiert”, erklärte Reynolds.
Das Magnetfeld ist relativ schwach (10.000-mal schwächer als das Magnetfeld auf der Erdoberfläche), aber Photonen müssen eine große Strecke durch dieses Magnetfeld zurücklegen. Dies bedeutet, dass es reichlich Gelegenheit gibt, diese Photonen in axionartige Teilchen umzuwandeln (vorausgesetzt, die axionartigen Teilchen haben eine ausreichend geringe Masse). '
Da die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung von der Wellenlänge der Photonen abhängt, sollten Beobachtungen Verzerrungen aufzeigen, da einige Wellenlängen effizienter als andere umgewandelt werden.
Die Forscher brauchten ungefähr ein Jahr mühsamer Arbeit, aber am Ende wurde keine solche Verzerrung festgestellt.
Dies bedeutet, dass Wissenschaftler die Existenz von Axionen in dem Massenbereich ausschließen können, für den ihre Beobachtungen empfindlich waren – bis zu einem Milliardstel der Masse eines Elektrons.
“Unsere Studie schließt die Existenz dieser Teilchen nicht aus, hilft aber sicherlich nicht der Stringtheorie”, sagte die Astronomin Helen Russell von der University of Nottingham in Großbritannien.
Die Studie wurde im Astrophysical Journal veröffentlicht.
Quellen: Foto: NASA / CXC / SAO / E. Bulbul et al.
