Plasmonen-Effekte in den Magnetosphären von Neutronensternen könnten neue Grenzen für die Entdeckung von Axionen darstellen.

19. September 2025

von Ingrid Fadelli, Phys.org

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bearbeitet von Sadie Harley, überprüft von Robert Egan

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Dunkle Materie ist eine schwer fassbare Art von Materie, die kein Licht ausstrahlt, reflektiert oder absorbiert, aber voraussichtlich den Großteil der Masse im Universum ausmacht. Da sie nicht durch herkömmliche experimentelle Techniken nachgewiesen und studiert werden kann, sind die Natur und Zusammensetzung der dunklen Materie bislang unentdeckt geblieben.

Eine der vielversprechendsten Kandidaten für dunkle Materie (d. h. hypothetische Teilchen, aus denen dunkle Materie bestehen könnte) sind Axionen. Die Theorie legt nahe, dass Axionen unter bestimmten Bedingungen in Lichtteilchen (d. h. Photonen) umgewandelt werden könnten, was wiederum Signale erzeugen könnte, die von anspruchsvollen Geräten aufgezeichnet werden können.

In starken Magnetfeldern, wie denen, die Neutronensterne mit großen Magnetfeldern (d. h. Magnetare) umgeben, wurde vorhergesagt, dass die Umwandlung von Axionen in Photonen schwache Radiosignale erzeugt, die mithilfe leistungsstarker irdischer oder weltraumgestützter Radioteleskope detektiert werden könnten.

Forscher am Polytechnischen Institut von Lissabon und anderen Instituten zeigten kürzlich, dass einige dieser Radiosignale auf ihrem Weg durch den Weltraum aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Axionen und Plasma in Magnetosphären von Magnetaren, den Regionen um Neutronensterne, in denen Magnetfelder dominieren, verloren gehen könnten.

Ihre Studie, veröffentlicht in den Physical Review Letters, könnte dazu beitragen, die Verfeinerung von Strategien zur Detektion von Dunkle-Materie-Axionen mithilfe von Radioteleskopen zu informieren.

„Unsere Studie begann mit einem einfachen 'Was wäre wenn'-Gespräch mit meinen Mitautoren“, sagte Hugo Terças, Assistenzprofessor am Instituto Superior de Engenharia de Lissabon und Erstautor der Studie, gegenüber Phys.org.

„Wir haben Ideen darüber ausgetauscht, wie Axionen mit Plasmonen interagieren könnten, die im Grunde die kollektiven 'Wellen' in einem Plasma sind. Als wir feststellten, dass ein Gespräch 'möglich' war, war der nächste logische Schritt, den perfekten Ort im Universum zu finden, an dem dies spielen könnte.“

Nach Debatten über mögliche Bedingungen, unter denen Axionen mit Plasma interagieren könnten, identifizierten die Forscher die extreme Umgebung, die um Magnetare zu erwarten ist. Diese Region im Weltraum, bekannt als Magnetosphäre, bot schließlich ein ideales Szenario, in dem sie ihre Idee testen konnten.

„Stell dir vor, dass frühere Forscher auf einen bestimmten Ton einer fernen Flöte (dem Axionensignal) gehört haben“, erläuterte Terças.

„Sie haben berechnet, wie laut dieser Ton sein sollte. Unsere Arbeit hat entdeckt, dass die Flöte undicht ist. Bevor der Klang uns überhaupt erreicht, entweicht etwas Luft (hier die Axionen) durch dieses Leck in ein anderes Instrument, das stummgeschaltet ist und nicht gehört werden kann (die Plasmonen). Daher ist der Ton, den wir zu hören versuchen, viel leiser als von jemandem berechnet.“

Im Wesentlichen führten Terças und seine Kollegen eine umfangreiche Analyse durch, um zu messen, inwieweit die Signale, die mit der Umwandlung von Axionen in Photonen verbunden sind, aufgrund von Wechselwirkungen mit Plasmonen (d. h. Plasmateilchen) „lecken“ würden.

Der Ergebnisse legen nahe, dass die Signale, die im Weltraum reisen, viel schwächer wären, als ursprünglich vorhergesagt, was bedeutet, dass Radioteleskope viel empfindlicher sein müssten, um sie aufzufangen.

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„Ich glaube, der aufregendste Teil unserer Arbeit ist, wie universell dieser zugrunde liegende Mechanismus ist“, sagte Terças. „Wir haben es im extremen Kontext von dunkler Materie und Magnetaren entdeckt, aber es ist ein grundlegender Prozess, der überall in der Physik auftaucht. Ein perfektes Beispiel ist die Forschung zur Kernfusion in donutförmigen Reaktoren namens Tokamaks.“

„Wissenschaftler verwenden genau dieselben Grundsätze, um das Plasma zu erhitzen: sie senden elektromagnetische Wellen ein, die in Plasmawellen umgewandelt werden und ihre Energie abgeben, was das System aufheizt. Es ist dieselbe Physik!“

Interessanterweise könnte der von den Forschern beschriebene Effekt der Plasmoneninteraktion auch für andere Themen außerhalb der Physik der dunklen Materie relevant sein. Tatsächlich bietet ihre Studie einen neuen Rahmen, der das Verständnis der Energieumwandlung in einer Vielzahl von physikalischen Systemen prägen könnte.

'Unsere Studie zeigt, wie die grundlegende Physik scheinbar unzusammenhängende Bereiche verbindet', sagte Terças. 'Unser großer Plan für zukünftige Forschung ist es, das Skript komplett umzudrehen. Derzeit ist die Suche mit Radioteleskopen passiv - Astronomen warten darauf, dass ein entfernter Stern uns ein Signal sendet. Wir wollen von passiven Zuhörern zu aktiven Schöpfern werden.' Als Teil ihrer zukünftigen Arbeit hoffen Terças und seine Kollegen auch darauf, Axionen erfolgreich in ihrem Labor zu realisieren. Um in diesem Unterfangen erfolgreich zu sein, müssten sie zunächst eine Art 'synthetisches' Plasma erzeugen. 'Ein 'synthetisches' Plasma ist ein konstruiertes Material, das die extremen Bedingungen der Magnetosphäre eines Magnetars imitiert, aber auf einem Tisch', fügte Terças hinzu. 'Dies würde es uns ermöglichen, die Umgebung fein abzustimmen und im Wesentlichen die perfekten Bedingungen zu schaffen, um Axionen dazu zu bringen, durch diesen von uns entdeckten Umwandlungsmechanismus zu erscheinen. Es ist ein viel direkterer Weg, um nach ihnen zu suchen.' Verfasst für Sie von unserer Autorin Ingrid Fadelli, bearbeitet von Sadie Harley und von Robert Egan fact-gecheckt und überprüft - dieser Artikel ist das Ergebnis sorgfältiger menschlicher Arbeit. Wir sind auf Leser wie Sie angewiesen, um den unabhängigen Wissenschaftsjournalismus am Leben zu erhalten. Wenn Ihnen dieser Bericht wichtig ist, erwägen Sie bitte eine Spende (besonders monatlich). Als Dank erhalten Sie einen werbefreien Account. Weitere Informationen: H. Terças et al, Resonante Axion-Plasmon-Umwandlung in Neutronenstern-Magnetosphären, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5hbb-yy48. Journalinformation: Physical Review Letters © 2025 Science X Network