Găurile negre care se află în rotație rapidă ar putea acumula în jurul lor o cantitate enormă de particule numite axioni, care, la rândul lor, ar putea reprezenta materia întunecată din Univers. Dacă într-adevăr așa stau lucrurile, undele gravitaționale măsurate de antenele interferometrice ar putea descoperi în mod indirect axionii, care, până în prezent, sunt doar particule ipotetice, prezise de teoreticieni.

Universul este compus din materie și energie. Cantitatea totală de materie din Univers conține doar o mică parte de materie „vizibilă”, adică formată din atomi și particule pe care le cunoaștem, precum electroni, protoni sau neutroni. Restul materiei, mai bine de 80% din aceasta, este o materie de tip necunoscut – materia întunecată, care domină atât în galaxii, cât și în Univers.

De mulți ani cercetătorii își bat capul să înțeleagă din ce ar putea fi alcătuită această materie întunecată. Ideea de bază este că ar exista particule încă nedescoperite – deoarece interacționează extrem de slab cu materia normală, deci cu detectoarele noastre – care ar putea alcătui materia întunecată. Au fost propuse mai multe tipuri de particule, de la cele supersimetrice la axioni. Aceștia din urmă sunt printre candidații cei mai „iubiți” de teoreticieni, întrucât ar fi necesari nu doar pentru a explica materia întunecată, ci și pentru a pune la punct anumite probleme legate de simetriile existente în natură.

Axionii au fost propuși în anii ’70 tocmai pentru a explica o simetrie din lumea cuarcilor și a gluonilor (particulele care sunt implicate în interacțiunile nucleare) care, la rândul lor, alcătuiesc protonii și neutronii. Ulterior s-a realizat că acești axioni ar putea compune materia întunecată.

Există mai multe experimente care încearcă să îi detecteze. Fiecare dintre aceste experimente este optimizat pentru un domeniu de mase ale axionilor. Dacă însă axionii au mase extrem de mici – și acest lucru este posibil din punct de vedere teoretic – niciunul dintre experimentele efectuate în laborator nu va fi în stare să îi descopere.

Iată însă că o nouă idee propusă de un grup de teoreticieni din America și Canada (în „Black hole mergers and the QCD axion at Advanced LIGO”, articol publicat pe 8 februarie 2017 în Physical Review D a American Physical Society) ar putea duce la măsurarea indirectă a axionilor cu masa extrem de mică, în urma studiului undelor gravitaționale produse de găurile negre care se află într-o rotație rapidă.

Ideea de bază este că axionii ar putea fi capturați în orbite în jurul găurilor negre și, pentru un anumit domeniu de mase ale axionilor, aceștia ar fi implicați într-un proces de tip super-radiant, asemănător cu ceea ce se petrece într-un laser. Gaura neagră în rotație poate transmite parte din energie axi-onilor care se pot multiplica, ajungându-se la generarea unui număr foarte mare de axioni în orbită în jurul găurilor negre.

Ca acest proces să aibă loc este însă nevoie ca lungimea de undă a axionilor să fie mai mare decât dimensiunea găurii negre, ceea ce pune condiții asupra masei axionilor, întrucât cu cât masa este mai mare, cu atât lungimea de undă echivalentă (dualismul undă-corpuscul) este mai mică. Deci, ținând cont de dimensiunile găurilor negre ce se formează în urma colapsului gravitațional după explozia finală a stelelor masive, rezultă că masa axionilor ar trebui să fie extrem de mică. Acest domeniu de mase este între 10 milioane de ori și 10 mii de ori mai mic decât cel al axionilor căutați prin diverse experimente în laboratoarele noastre.

Prezența axionilor în orbită în jurul găurilor negre și-ar pune amprenta asupra undelor gravitaționale emise de acestea, deoarece axionii încetinesc rotația găurilor negre (absorb parte din energie). Dacă într-adevăr așa stau lucrurile, măsurarea undelor gravitaționale emise de găuri negre aflate într-o rotație rapidă ar putea duce la o măsurătoare indirectă a axionilor.

LIGO va vâna aceste unde gravitaționale. Chiar dacă precizia nu este suficientă pentru a avea certitudini, cercetătorii speră să aibă indicii asupra eventualei existențe a „norilor de axioni” din jurul găurilor negre, rezolvând în acest fel și enigma materiei întunecate, care este unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii moderne.

LĂSAȚI UN MESAJ

Introduceti comentariul
Introdu numele

two + eight =