Könnte der Zerfall von Axionen die Grundlage für übermäßiges kosmisches optisches Hintergrundrauschen sein?

Der kosmische optische Hintergrund (COB) ist das sichtbare Licht, das von allen Quellen außerhalb der Milchstraße ausgestrahlt wird. Dieser schwache Lichtschimmer, der nur mit sehr präzisen und hochentwickelten Teleskopen beobachtet werden kann, könnte der Astrophysik dabei helfen, mehr über die Ursprünge des Universums und das, was jenseits unserer Galaxie liegt, zu erfahren.

Im vergangenen Jahr veröffentlichten Physiker, die an verschiedenen Instituten in den Vereinigten Staaten arbeiten, die bisher genauesten COB-Messungen, die von der Raumsonde New Horizons, einer über zehn Jahre alten interplanetaren Raumsonde, die von der NASA gestartet wurde, gesammelt wurden. Diese Messungen deuten darauf hin, dass der COB doppelt so hell ist wie theoretische Vorhersagen.

Forscher der Johns Hopkins University führten kürzlich eine theoretische Studie durch, in der die Möglichkeit untersucht wurde, dass dieses beobachtete übermäßige Licht durch die verursacht werden könnte verrotten einer hypothetischen Art von Teilchen der Dunklen Materie, Axionen genannt. In ihrem Artikel veröffentlicht in Briefe zur körperlichen UntersuchungSie zeigten, dass Axionen mit Massen zwischen 8 und 20 eV möglicherweise den vom New Horizons-Team gemessenen übermäßigen COB-Fluss erklären könnten.

„Marc Postman ist ein Kollege auf der anderen Straßenseite, der ein erstaunlicher beobachtender Kosmologe ist, und so weiter seinen Artikel mit Todd Lauer und dem Team von New Horizons tauchte auf, bemerkte es und las es”, sagte Marc Kamionkowski, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org.

“Die Messung, die sie gesammelt haben, ist ein großartiges Beispiel für die geschickte Umnutzung eines leistungsstarken astronomischen Observatoriums für andere Zwecke als die, für die es entworfen wurde. Wir haben dieses unglaubliche kleine Raumschiff vor Jahren zu Pluto geschickt, und es hat alles getan, was es tun sollte, aber es hatte keine Bremsen und entfernte sich ohne viel zu tun immer weiter von der Sonne Marc und Todd erkannten, dass es verwendet werden konnte – zum allerersten Mal – den kosmischen Hintergrund optischer Photonen aus allen unaufgelösten Galaxien im Universum zu erkennen, und das tat es.”

Nachdem er die Arbeit von Lauer und seinen Kollegen gelesen hatte, erkannte Kamionkowski, dass, wenn der von ihnen gemessene Überschuss tatsächlich dem Axionzerfall zugeschrieben wurde, dies möglicherweise anhand der verfügbaren kosmologischen Daten bestätigt werden könnte. Insbesondere würde dieser Überschuss während SPHEREx, einer geplanten zweijährigen NASA-Mission, die ein Nahinfrarot-Weltraumobservatorium in den Weltraum schicken wird, um potenziell wertvolle neue Messungen zu sammeln, mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis erfasst.

„Unsere Berechnungen sind peinlich einfach, denn das sind die Art von Berechnungen, die wir und viele andere Leute seit Jahren machen“, erklärte Kamionkowski. „Die Idee, dass der Zwei-Photonen-Zerfall von a axion zu einem kosmischen Signal führen könnte, gab es schon als Doktorand vor über 30 Jahren. Unsere Aufgabe ist es einfach, die Photonen all jener zu addieren, die durch den Zerfall von Axionen im Laufe der Zeit entstehen, ein einfaches Integral. Wir mussten einige kosmische Rotverschiebungsfaktoren richtig einbeziehen, aber das ist eine Hausaufgabe in einem typischen Kosmologieunterricht.”

Zusammengenommen unterstreichen die von Kamionkowski und seinen Kollegen durchgeführten Berechnungen die Möglichkeit, den Zusammenhang zwischen dem Zerfall der Axion-Dunklen Materie und dem kürzlich beobachteten COB-Überschuss mit zukünftigen Messungen zu bestätigen oder zu widerlegen.

SPHEREx soll 2025 starten und Nahinfrarot-Messsignale von rund 450 Millionen Galaxien sammeln. Johns-Hopkins-Forscher haben zuvor veröffentlicht ein Tracking-Dokumentwo sie die Konsistenz des Axion-Zerfallsszenarios mit bestehenden Einschränkungen am COB von untersuchten gamma Strahlen.

„Das Fermi-Teleskop der NASA hat die Energiespektren von Gammastrahlen von mehr als 800 Blazaren erhalten, und die energiereichsten Gammastrahlen können durch die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren durch Streuung mit COB-Photonen abgeschwächt werden“, fügte Kamionkowski hinzu.

„In unserer neuen Studie haben wir die erwartete Dämpfung dieser COB-Streuung modelliert und durch Vergleich mit den Fermi-Daten konnten wir eine Obergrenze für den COB-Hintergrund des Zerfalls der Dunklen Materie festlegen, die immer noch mit dem von New abgezogenen überschüssigen COB übereinstimmte Horizonte.

“Meine Studentin Gabriela Sato-Polito arbeitete auch mit Dan Grin (Haverford College) zusammen und suchte nach tiefen VLT-Bildern mehrerer Cluster mit hoher Rotverschiebung für Zerfallslinien dunkler Materie. Diese Messungen sollten es uns ermöglichen, einen Teil, aber nicht den gesamten Parameterraum zu untersuchen Zerfall dunkler Materie im Einklang mit New Horizons Exzess.”

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