Plasmon-effecten in neutronenster-magnetosferen zouden nieuwe beperkingen kunnen stellen aan de detectie van axionen.

19 september 2025 kenmerk

door Ingrid Fadelli, Phys.org

contributor

redactie door Sadie Harley, beoordeeld door Robert Egan

wetenschappelijk redacteur

associate redacteur

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud garanderen:

feiten gecontroleerd

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

gecorrigeerd

Donkere materie is een ongrijpbaar soort materie dat geen licht uitstraalt, reflecteert of absorbeert, maar naar verwachting het grootste deel van de massa van het universum vormt. Omdat het niet kan worden gedetecteerd en bestudeerd met conventionele experimentele technieken, zijn de aard en samenstelling van donkere materie nog niet blootgelegd.

Een van de meest veelbelovende kandidaten voor donkere materie (d.w.z. hypothetische deeltjes waaruit donkere materie zou bestaan) zijn axionen. Theorie suggereert dat axionen onder specifieke omstandigheden kunnen omzetten in lichtdeeltjes (d.w.z. fotonen), die op hun beurt signalen kunnen genereren die kunnen worden opgepikt door geavanceerde apparatuur.

In sterke magnetische velden, zoals die rond neutronensterren met grote magnetische velden (d.w.z. magnetars), is voorspeld dat de omzetting van axionen in fotonen zwakke radiosignalen kan genereren die kunnen worden gedetecteerd met krachtige aardse of ruimte-gebaseerde radiotelescopen.

Onderzoekers aan het Polytechnisch Instituut van Lissabon en andere instituten toonden onlangs aan dat sommige van deze radiosignalen verloren zouden kunnen gaan voordat ze de ruimte overbruggen als gevolg van interacties tussen axionen en plasma in magnetars-magnetosferen, regio's rond neutronensterren waarin magnetische velden domineren.

Hun paper, gepubliceerd in Physical Review Letters, zou kunnen bijdragen aan de verfijning van strategieën om donkere materie-axionen te detecteren met radiotelescopen.

'Onze studie begon met een eenvoudig 'wat als'-gesprek met mijn medeauteurs,' vertelde Hugo Terças, universitair hoofddocent aan het Instituto Superior de Engenharia de Lisboa en eerste auteur van de paper, aan Phys.org.

'We waren ideeën aan het bespreken over hoe axionen zouden kunnen interageren met plasmonen, die in feite de collectieve 'golven' in een plasma zijn. Toen we ons realiseerden dat een gesprek 'zou' kunnen plaatsvinden tussen hen, was de volgende logische stap om de perfecte plek in het universum te vinden waar dit zou kunnen gebeuren.'

Na te hebben gedebatteerd over mogelijke omstandigheden waarin axionen kunnen interageren met plasma, identificeerden de onderzoekers de extreme omgeving die naar verwachting magnetars omringt. Deze ruimte, bekend als de magnetosfeer, bood uiteindelijk een ideaal scenario waarin ze hun idee konden testen.

'Stel je voor dat eerdere onderzoekers luisterden naar een specifieke noot van een verre fluit (het axion-signaal),' legde Terças uit.

'Ze berekenden hoe luid die noot moest zijn. Ons werk ontdekte dat de fluit een lek heeft. Voordat het geluid ons ooit bereikt, ontsnapt wat van de lucht (hier, de axionen) via dit lek naar een ander instrument dat gedempt is en niet kan worden gehoord (de plasmonen). Dus, de noot die we proberen te horen is veel zachter dan iemand had berekend.'

Wezenlijk voerden Terças en zijn collega's een uitgebreide analyse uit om te meten in hoeverre de signalen die verband houden met de omzetting van axionen in fotonen zouden 'lekken' door interacties met plasmonen (d.w.z. plasmadeeltjes).

Hun bevindingen suggereren dat wanneer rekening wordt gehouden met dit lek, de signalen die door de ruimte reizen veel zwakker zouden zijn dan oorspronkelijk voorspeld, wat betekent dat radiotelescopen veel gevoeliger zouden moeten zijn dan ze nu zijn om ze op te pikken.

Ontdek het laatste nieuws over wetenschap, technologie en ruimte met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Meld je aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen - dagelijks of wekelijks.

'Ik geloof dat het meest opwindende deel van ons werk is hoe universeel dit onderliggende mechanisme is,' zei Terças. 'We ontdekten het in de extreme context van donkere materie en magnetars, maar het is een fundamenteel proces dat overal in de natuurkunde opduikt. Een perfect voorbeeld is in het onderzoek naar kernfusie, in donut-vormige reactoren die tokamaks worden genoemd.

'Wetenschappers gebruiken dit exacte principe om het plasma te verwarmen: ze stralen elektromagnetische golven in, die worden omgezet in plasmagolven en hun energie afgeven, waardoor het systeem wordt verwarmd. Het is dezelfde natuurkunde!'

Interessant genoeg zou het plasmon-interactiegerelateerde effect dat door de onderzoekers wordt beschreven ook relevant kunnen zijn voor andere onderwerpen dan de natuurkunde van donkere materie. Sterker nog, hun paper biedt een nieuw kader dat de kennis van energieconversie in een breed scala van fysieke systemen zou kunnen vormen.

'Onze studie laat zien hoe fundamentele natuurkunde ogenschijnlijk ongerelateerde gebieden met elkaar verbindt,' zei Terças. 'Ons grote plan voor toekomstig onderzoek is om het helemaal om te gooien. Op dit moment is de zoektocht met radiotelescopen passief - astronomen wachten tot een verre ster ons een signaal stuurt. Wij willen van passieve luisteraars veranderen in actieve makers.'

Als onderdeel van hun toekomstige werk hopen Terças en zijn collega's ook succesvol axionen te realiseren in hun laboratorium. Om hierin te slagen, zouden ze eerst een soort 'synthetisch' plasma moeten creëren.

'Een 'synthetisch' plasma is een geëngineerd materiaal dat de extreme omstandigheden van de magnetosfeer van een magnetar nabootst, maar op een tafelblad,' voegde Terças toe.

'Dit stelt ons in staat om de omgeving nauwkeurig af te stemmen en essentieel de perfecte omstandigheden te creëren om axionen te verleiden te verschijnen via het conversiemechanisme dat we hebben ontdekt. Het is een veel directere manier om naar hen op zoek te gaan.'

Geschreven voor u door onze auteur Ingrid Fadelli, bewerkt door Sadie Harley en gecontroleerd op feiten door Robert Egan - dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals u om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek in stand te houden. Als deze berichtgeving belangrijk voor u is, overweeg dan een donatie (vooral maandelijks). U krijgt een advertentievrij account als bedankje.

Meer informatie: H. Terças et al, Resonante Axion-Plasmon Conversie in Neutronenster Magnetosferen, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5hbb-yy48.

Tijdschriftinformatie: Physical Review Letters

© 2025 Science X Netwerk