Sommige sterren die aan het einde van hun leven ontploffen, zijn niet zo helder als ze zouden moeten zijn. Mogelijk hebben mysterieuze deeltjes, axionen, het licht van deze sterren gedimd.
Als een rode reuzenster aan het einde van zijn leven explodeert, gebeurt dat met een zogeheten ‘type II-supernova’. Stermodellen voorspellen dat er een strikte relatie bestaat tussen de helderheid en massa van dit type ster, maar natuurkundige Oscar Straniero van het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Italië ontdekte samen met zijn collega’s dat sommige sterren niet aan die regels voldoen.
De massa van een ster die in een supernova ontploft, kan op twee manieren worden geschat. De eerste optie is om te kijken hoeveel zuurstof tijdens de ontploffing wordt geproduceerd – wat afhankelijk is van de massa van de ster. Als alternatief kun je naar archiefbeelden van de ster kijken voordat hij explodeerde, en de massa schatten aan de hand van de eerder waargenomen helderheid. Die tweede methode is gebaseerd op een alom geaccepteerd model dat beschrijft hoe de helderheid en massa van deze sterren aan elkaar verwant zijn.
Straniero’s team gebruikte beide manieren om de massa’s van acht rode reuzen te schatten. Ze ontdekten dat de uitkomsten van de twee methoden niet overeenkwamen. De sterren bleken in werkelijkheid zwakker dan we zouden verwachten aan de hand van de zuurstofmethode.
‘De lichtsterkte van de ster voor de supernova hangt af van de balans tussen de processen die energie produceren, nucleaire reacties, en de processen die energie wegvoeren uit de ster, fotonen en neutrino’s,’ zegt Straniero. Aangezien de modellen alleen rekening met de energieafvoer via fotonen en neutrino’s, moet er nog iets anders zijn dat de energie van de ster doet afnemen. ‘We denken dat er iets ontbreekt, een ander mechanisme dat fotonen en neutrino’s helpt hun werk te doen.’
Energielek
Omdat de berekeningen gepaard gaan met grote onzekerheden, moesten de onderzoekers verschillende verklaringen overwegen. De modellen houden er bijvoorbeeld geen rekening mee dat de meeste sterren draaien. Ook weten we niet hoe convectie in sterren de energiebalans kan beïnvloeden. Maar toen de onderzoekers deze effecten meenamen in hun berekeningen, werd het verschil groter in plaats van kleiner.
Dat betekent, concludeert Straniero, dat een nog onbekend fysisch fenomeen energie uit de ster onttrekt. De meest passende oplossing lijkt een deeltje dat wel wat wegheeft van een neutrino: dat vrijwel geen reacties met andere materie aangaat, zodat het aan de kern van de ster kan ontsnappen zonder onderweg te veel rond te stuiteren.
Een mogelijke kandidaat is het axion, een hypothetisch donker-materiedeeltje. Het axion is door fysici bedacht om een probleem in de natuurkunde op te lossen dat het ‘sterke CP-probleem’ heet, wat te maken heeft met de vraag waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal bestaat. De voorspelde axionen hebben een vrij lage massa, dus er is niet onvoorstelbaar veel energie nodig om ze te produceren. Ze kunnen worden gemaakt in een energierijke omgeving zoals de kern van een grote ster.
Axionen spotten
De onderzoekers bekeken hoeveel energie deze deeltjes zouden moeten onttrekken uit rode superreuzen om de discrepantie tussen hun helderheid en massa te verklaren, en ze legden dit getal naast de bestaande axionmodellen. Daaruit bleek dat axionen (of axionachtige deeltjes) inderdaad in staat zijn het vreemde verschil te verklaren.
De voorspelde axionen liggen binnen het energiebereik van toekomstige experimenten, zoals het Internationale Axion-Observatorium van fysica-instituut CERN. ‘Als de gevonden discrepantie echt het gevolg is van axionen, dan zullen we deze deeltjes in het komende decennium vinden’, voorspelt Straniero.
Twee mysteries opgelost, één niet
De ontdekking van axionen zou niet alleen een antwoord bieden op de discrepantie in type II-supernovae, maar ook op het grotere sterke CP-probleem. Eén mysterie zal echter onopgelost blijven: hoewel axionen een donkere-materie-kandidaat zijn, zou het vinden van deze deeltjes in rode reuzensterren de discussie rondom donkere materie niet beslechten.
‘Er zijn verschillende manieren om axionen te maken, maar de productie in energierijke omgevingen zal niet genoeg axionen creëren om de bestaande hoeveelheid donkere materie te verklaren’, zegt Chanda Prescod-Weinstein van de Universiteit van New Hampshire in de Verenigde Staten. ‘Dit is niet de manier die waarop we verwachten dat donkere materie is ontstaan.’ Donkere materie is namelijk gevormd in het vroege universum, ruim voordat sterren en supernovae op het kosmische toneel verschenen.
