Jak szukać niewidzialnych, hipotetycznych cząstek? Jednym ze sposobów jest sprawdzenie, jak szybko mogą zabić białe karły – gęste pozostałości po martwych gwiazdach.
W ostatnich latach astronomowie coraz bardziej interesują się teoretyczną cząstką znaną jako aksjon, którą wymyślono kilkadziesiąt lat temu w celu rozwiązania trudnego problemu z silne oddziaływanie nuklearne. Jednak po początkowych próbach znalezienia go w eksperymentach ze zderzaczem cząstek, pomysł zeszedł na dalszy plan.
To, że ta mała cząsteczka byłaby w dużej mierze niewidoczna, nie oznacza, że przeszłaby całkowicie niezauważona we wszechświecie. W przeddruku opublikowanym w listopadzie 2025 r na serwerze otwartego dostępu arXivbadacze zgłosili sposób testowania modeli aksjonów przy użyciu starych danych archiwalnych z Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Chociaż nie znaleźli żadnych dowodów na istnienie aksjonów, pobili inne próby i dali nam znacznie jaśniejszy obraz tego, co jest, a co nie jest dozwolone w tym wszechświecie.
Celem tego badania było białe karły — gęste, słabe jądra martwych gwiazd. Pojedynczy biały karzeł może upakować masa słońca w obiekt mniejszy niż Ziemiaco czyni białe karły jednymi z najbardziej egzotycznych obiektów we wszechświecie. Co najważniejsze, białe karły chronią się przed zapadnięciem się poprzez zjawisko zwane ciśnieniem degeneracji elektronów, w którym ogromne morze swobodnie unoszących się elektrony jest odporny na zapadnięcie się, ponieważ według mechaniki kwantowej elektrony nigdy nie mogą znajdować się w tym samym stanie.
Niektóre modele zachowania aksjonów mówią, że cząstki te mogą być tworzone przez elektrony: gdyby elektron poruszał się wystarczająco szybko, spowodowałoby to utworzenie aksonu. A ponieważ elektrony głęboko wewnątrz białego karła poruszają się bardzo, bardzo szybko – prawie z prędkością prędkość światła — gdy brzęczą w ciasnych pomieszczeniach, mogą wytwarzać wiele osi.
Osie następnie przyspieszyłyby, pozostawiając całkowicie białego karła. Ta produkcja uciekających aksjonów pozbawiłaby białego karła energii. A ponieważ białe karły nie wytwarzają samodzielnie energii, spowodowałoby to szybsze ich ochładzanie niż miałoby to miejsce w innym przypadku.
Naukowcy wprowadzili ten model chłodzenia osi do zaawansowanego pakietu oprogramowania, który może symulować ewolucję gwiazdy oraz jak zmienia się ich temperatura i jasność w miarę ewolucji wnętrz.
Model ten pozwolił naukowcom przewidzieć typową temperaturę białego karła, biorąc pod uwagę jego wiek, zarówno z chłodzeniem aksjonowym, jak i bez niego. Mając wyniki w ręku, sięgnęli po dane dotyczące gromady kulistej 47 Tucanae zebrane za pomocą Hubble’a. Klastry globalne są kluczowe, ponieważ wszystkie znajdujące się w nich białe karły urodziły się mniej więcej w tym samym czasie, co dało astronomom dużą próbkę do badań.
Krótko mówiąc, naukowcy nie znaleźli dowodów na chłodzenie aksjonów w populacji białych karłów. Jednak ich wyniki rzeczywiście nałożyły zupełnie nowe ograniczenia na zdolność elektronów do wytwarzania aksjonów: nie mogą tego robić wydajniej niż raz na bilion szans.
Wynik ten nie wyklucza całkowicie aksjonów, ale wskazuje, że jest mało prawdopodobne, aby elektrony i aksiony bezpośrednio ze sobą współdziałały. Jeśli więc mamy nadal szukać osi, będziemy musieli znaleźć jeszcze sprytniejsze sposoby patrzenia.
