Een team van natuurkundigen denkt dat een overschot aan röntgenstraling, uitgezonden door neutronensterren, wordt veroorzaakt door deeltjes genaamd axionen.
85 procent van de massa in ons heelal lijkt te bestaan uit donkere materie: deeltjes die we niet kunnen zien, maar die met hun zwaartekracht wel hun omgeving beïnvloeden. Eén hypothetisch deeltje waar deze donkere uit zou kunnen bestaan, is het axion. Een team van vier Amerikaanse natuurkundigen, geleid door Ben Safdi van de Universiteit van Michigan, stelt nu dat deze deeltjes weleens de oorzaak zouden kunnen zijn van een overschot aan röntgenstraling afkomstig van neutronensterren. Anderen zijn niet overtuigd.
Identiteitsverandering
In 2019 was Safdi zelf een van de wetenschappers die de betreffende straling waarnamen bij een groepje van zeven relatief nabije neutronensterren dat bekend staat als M7 (ook wel ‘The Magnificent Seven’). Daar keken ze nogal van op, want deze supercompacte overblijfselen van zware sterren zouden nauwelijks röntgenstraling moeten produceren. In een nieuw artikel, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters, schrijven ze nu dat axionen deze onverwachte straling kunnen verklaren.
De axionen zouden dan ontstaan in het hart van de neutronensterren. Die bestaan uit opeengepakte neutronen (en wat protonen), die echter wel ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Wordt zo’n neutron of proton daarbij versneld of vertraagd, dan kan het een axion uitzenden – als zulke deeltjes tenminste daadwerkelijk bestaan.
Zo’n axion zou vervolgens ongehinderd de neutronenster uit vliegen. Was dat het einde van het verhaal, dan zou ons dat niet veel verder helpen. Axionen zijn – net als alle donkere-materie-kandidaten – extreem moeilijk waar te nemen, dus die zouden we naar alle waarschijnlijkheid niet kunnen zien met onze aardse instrumenten.
Axionen hebben echter de vreemde eigenschap dat een sterk magnetisch veld ze kan omzetten in straling. En aangezien de ‘Magnificent Seven’ magnetische velden hebben die zo’n 100 biljoen keer zo krachtig zijn als dat van de aarde, zou zo’n identiteitsverandering daar prima kunnen plaatsvinden.
Opgetelde fotonen
Conclusie: dat overschot aan röntgenstraling is dus waarschijnlijk bewijs voor axionen? Nou nee, zegt natuurkundige Alexey Boyarsky van de Universiteit Leiden.
Allereerst betwijfelt hij of het waargenomen overschot aan straling er überhaupt is. Het zou bijvoorbeeld ook aan de gebruikte instrumenten kunnen liggen. Die zijn niet alleen gevoelig voor de ‘harde’ röntgenstraling waar het hier om gaat, maar ook om ‘zachte’ röntgenstraling: röntgenstraling met een langere golflengte. Bij een heldere bron wil het nog weleens gebeuren dat de fotonen waar die zachte röntgenstraling uit bestaat per ongeluk bij elkaar opgeteld worden tot harde röntgenfotonen. Dan zie je dus harde röntgenstraling die er eigenlijk niet is.
Die mogelijkheid hadden de onderzoekers kunnen elimineren door een blik van enkele seconden op ‘hun’ neutronensterren te laten werpen met de ruimtetelescoop NuSTAR, zegt Boyarsky. Deze telescoop is namelijk niet gevoelig voor zachte röntgenstraling. Als die dus óók harde röntgenstraling ziet, weet je tenminste zeker dat je overschot echt is. Maar dat hebben Safdi en collega’s niet gedaan.
Ook wijst Boyarsky erop dat het oorspronkelijke artikel over de ontdekking, uit 2019, weinig heeft losgemaakt in de sterrenkundewereld. Het handjevol andere artikelen dat ernaar verwijst, is afkomstig van ofwel Safdi en collega’s, ofwel van andere natuurkundigen die het verschijnsel proberen te verklaren. ‘Je zou eerst de sterrenkundige wereld ervan moeten overtuigen dat het overschot er daadwerkelijk ís, voordat je gaat speculeren over de oorzaak’, zegt Boyarski. ‘Maar dat is blijkbaar niet gebeurd.’
Snelle elektronen
Als de neutronensterren inderdaad röntgenstraling uitzenden, is daarmee bovendien nog niet gezegd dat axionen daarvoor verantwoordelijk zijn. Boyarsky wijst erop dat alleen het binnenste van een neutronenster bestaat uit niets dan opeengepakte neutronen en protonen. Verder naar buiten toe zijn ook zwaardere elementen te vinden, zoals ijzer, of snel bewegende elektronen. ‘Die zouden ook harde röntgenstraling kunnen doen ontstaan.’
‘Voordat je zo’n overschot aan straling kunt toeschrijven aan nieuwe fysica, moet je eerst een enorme hoeveelheid andere mogelijkheden uitsluiten’, zegt Boyarsky. ‘Dat betekent jaren aan sterrenkundig werk.’ En naar zijn mening is er in dit geval niet genoeg van dat soort werk gedaan om axionen als beste verklaring naar voren te kunnen schuiven.
Veel zwaarder
Wie het deeltjesnieuws goed bijhoudt, weet echter misschien nog dat het team achter het experiment XENON1T afgelopen zomer een overschot aan botsingen meldde. En een van de genoemde mogelijke verklaringen voor die botsingen waren óók axionen. Zou het dan toch…?
Helaas niet. Áls XENON1T inderdaad tekenen heeft gezien van axionen – en dat is maar zeer de vraag – dan gaat het om axionen die honderden miljoenen keren zwaarder zijn dan de axionen waar Safdi en zijn team het over hebben. Hier is dus geen sprake van twee op zichzelf zwakke stukjes bewijsmateriaal voor axionen, die bij elkaar opgeteld toch te denken geven.
