Tabrakan dua bintang yang sangat padat dan runtuh di alam semesta yang jauh ini memberikan petunjuk potensial untuk aksion, kandidat materi gelap yang pertama kali diusulkan setengah abad yang lalu.
Benda-benda langit yang tersisa adalah bintang neutron, mayat yang tersisa setelah bintang besar runtuh ke dalam diri mereka sendiri. Bintang mati ini begitu padat sehingga elektron mereka runtuh ke proton mereka—maka itu, “bintang neutron.” Kepadatan ekstrem mereka juga membuat mereka menjadi tempat bagi fisika eksotis: khususnya, mereka diusulkan sebagai sumber aksion, partikel hipotetis yang dapat berkontribusi pada materi gelap alam semesta.
Penelitian baru, yang dipublikasikan bulan lalu dalam Physical Review Letters, memberikan batasan pada bagaimana partikel mirip aksion mungkin berhubungan dengan foton, berdasarkan data spektral dan temporal dari tabrakan bintang neutron sekitar 130 juta tahun cahaya dari Bumi.
Partikel mirip aksion (atau ALP) adalah kelas kandidat materi gelap hipotetis yang lebih umum daripada aksion, dan para ilmuwan percaya bahwa sifat mereka bisa terungkap dengan mempelajari foton dan membatasi rentang massa partikel tersebut. Partikel mirip aksion yang dihasilkan dalam tabrakan bintang neutron melarikan diri dari sisa-sisa dan mengalami peluruhan kembali menjadi dua foton, tim menulis dalam makalahnya, menghasilkan sinyal elektromagnetik yang dapat dideteksi oleh teleskop. Data dikumpulkan dari observasi tahun 2017 dari tabrakan yang diambil oleh Teleskop Area Besar Fermi (Fermi-LAT).
“Buat tabrakan bintang neutron, ada kesempatan unik di mana Anda bisa mendapatkan sinyal foton,” kata Bhupal Dev, seorang fisikawan di Universitas Washington di St. Louis dan penulis utama studi tersebut, dalam panggilan telepon dengan Gizmodo. “Kita bisa menggunakan kajian multimessenger ini, data ini, untuk menyelidiki beberapa fisika baru di luar Model Standar.”
Materi gelap tampaknya menyusun 27% alam semesta, tetapi berinteraksi dengan materi biasa dengan sangat lemah sehingga ilmuwan hanya bisa mendeteksinya melalui efek gravitasi pada apa yang bisa kita lihat. Kandidat materi gelap populer (yakni, pihak yang bertanggung jawab yang diteorikan untuk keberadaan materi gelap) adalah Partikel Masif Berinteraksi Lemah (WIMP), foton tersembunyi (atau gelap), objek halo kompak massif (MACHO), dan, tentu saja, aksion.
Dinamai dari merek deterjen cucian, aksion adalah partikel hipotetis yang diusulkan pada tahun 1970-an sebagai solusi untuk masalah strong-CP fisika, yang menggambarkan kenyataan bahwa ketaatan kuark terhadap hukum fisika tetap sama, bahkan ketika partikel digantikan dengan bayangan mereka.
Bintang neutron adalah beberapa objek paling padat di alam semesta, hanya kalah oleh lubang hitam. Berbeda dengan lubang hitam, cahaya dapat melarikan diri dari bintang neutron, membuat mereka dapat diamati dalam spektrum elektromagnetik.
Dev menjelaskan bahwa aksion bisa muncul dari tabrakan bintang neutron dengan beberapa cara, jika aksion memang berpasangan dengan foton. Melalui koalesensi foton, aksion akan muncul dari foton yang saling bertemu dalam lingkungan astrofisika yang sangat panas dan bergabung. Cara lain aksion bisa muncul adalah melalui proses Primakoff, di mana foton berinteraksi dengan larutan elektron, menghasilkan aksion.
Aksion, seperti yang diusulkan, sangat kecil sehingga kadang-kadang berperilaku lebih seperti gelombang daripada partikel, yang berarti ia dengan relatif mudah melarikan diri dari tempat kejadian. Tetapi proton adalah (relatif) massif, sehingga diperlukan waktu bagi partikel untuk muncul dari interaksi yang intens ini. Secara khusus, dibutuhkan 1,7 detik: jumlah keterlambatan yang diamati para peneliti antara sinyal gelombang gravitasi dari tabrakan bintang neutron dan sinyal elektromagnetik dari itu.
“Kita mendapatkan banyak foton dari langit. Jadi bagaimana kita benar-benar tahu bahwa sinyal foton ini berasal dari aksion?” kata Dev. “Ini berasal dari peluruhan partikel, dibandingkan dengan proses astrofisika di mana foton menghilang dari hamburan. Jadi ada perbedaan dalam spektrum. Kita bisa menganalisis kedua informasi waktu dan kita juga bisa menganalisis fitur spektral. Dan di situlah kita bisa memisahkan sinyal fisika baru ini dari proses astrofisika standar.”
Eksperimen berbasis Bumi juga bekerja untuk mempersempit rentang massa potensial aksion. LUX-Zeplin, XENON-1T, dan eksperimen ALPS II, yang dimulai operasinya pada Mei 2023, semuanya dirancang untuk mencari aksion di dalam tanah. Tetapi ada juga proyek lain, seperti ADMX dan Dark Matter Radio Pathfinder, yang bekerja untuk membatasi rentang massa pada foton tersembunyi (atau gelap), kelas kandidat materi gelap lainnya. Generasi berikut dari Dark Matter Radio akan memburu aksion.
Penelitian baru “memberikan beberapa batasan baru pada partikel mirip aksion, karena sejauh ini kita tidak melihat sinyal aksion,” kata Dev. “Ini juga memberikan kita harapan bahwa di masa depan, dengan menggunakan observasi astrofisika ini, kita bisa mendapatkan wawasan lebih dalam tentang partikel mirip aksion. Dan ini akan menjadi pelengkap untuk penelusuran laboratorium yang sedang berlangsung.”
Pencarian aksion mirip dengan menggunakan detektor logam di pantai yang sangat besar. Lebih sering daripada tidak, fisikawan dan ahli astronomi tidak mendeteksi apa pun. Tetapi mencari seluruh rentang massa potensial untuk aksion dan partikel mirip aksion adalah cara terbaik untuk akhirnya melacak mereka.
Lebih lanjut: Apa Itu Materi Gelap dan Mengapa Belum Ada yang Menemukannya?