Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: verzamelen neutronensterren grote hoeveelheden van nog onontdekte deeltjes om zich heen?

Qua nieuwe deeltjes houdt het niet over, de afgelopen jaren, zo schreef ik al in de vorige aflevering van deze rubriek. In 2012 werd met veel bombarie het befaamde higgsdeeltje ontdekt, maar daarna bleef het stil. Ja, af en toe kon ik een artikel in KIJK schrijven over vreemde metingen die konden wijzen op een deeltje dat we nog niet kenden – maar meestal bleken die later op foutjes of toeval te berusten. Een echt nieuw lid van onze deeltjesfamilie hebben machines als de Large Hadron Collider (LHC) bij Genève sinds het higgsdeeltje niet meer kunnen vinden.

Maar misschien schiet de kosmos ons nu op dit punt te hulp. Het blijkt namelijk dat neutronensterren, zo schrijven natuurkundige Dion Noordhuis van de Universiteit van Amsterdam en collega’s, hele wolken van deeltjes genaamd axionen om zich heen kunnen verzamelen. En die wolken zouden effecten kunnen hebben die met onze huidige radiotelescopen zijn te zien. Áls ze bestaan, en áls we weten uit te vogelen om wélke effecten het precies gaat.

Meer van Far Out:

• Dampende hapjes: kunnen we zwarte gaten tóch zien verdwijnen?
• Het duistere hart van de zon
• Waren er vlak na de oerknal zwarte gaten met een kleurtje?

Extreem sterke velden

Axionen doken eind jaren zeventig voor het eerst op binnen de natuurkunde. Toen verbaasden theoretici zich over een eigenschap van neutronen; deeltjes die je terugvindt in elke atoomkern behalve waterstof. Zoals hun naam al zegt, zijn neutronen elektrisch neutraal, maar ze zijn wel opgebouwd uit positief en negatief geladen kleinere deeltjes. En van de theorie mag die lading best een beetje ongelijk over het neutron verdeeld zijn: aan de ene kant wat meer plus, aan de andere kant wat meer min. Maar dat lijkt niet het geval. Voor zover we kunnen zien, zijn de ladingen in een neutron niet van elkaar gescheiden. Waarom is dat zo?

Om dat probleem aan te pakken, bedachten natuurkundigen Roberto Peccei en Helen Quinn een mechanisme dat we nu kennen als het Peccei-Quinn-mechanisme. Dat legt als het ware een extra regel op aan de kracht die regeert over het binnenste van neutronen: gij zult geen ladingen scheiden! Maar, zo stelden andere fysici later, als dat mechanisme er inderdaad is, moet er ook een nieuw deeltje zijn: het axion. Toen dat deeltje bovendien in één moeite het donkere-materie-probleem bleek te kunnen verklaren – het feit dat het overgrote deel van het heelal lijkt te bestaan uit een vorm van materie die we niet kunnen zien – werden allerlei axion-zoektochten opgestart. Tot nog toe zonder resultaat.

In hun artikel vestigen Noordhuis en collega’s de aandacht op een nieuwe plek waar axionen te vinden zouden kunnen zijn: neutronensterren. “Dat zijn de sterren met de hoogste dichtheid van het universum”, zegt Noordhuis. “Ze hebben massa’s vergelijkbaar met die van onze zon, samengeperst in een balletje met een middellijn van zo’n 20 kilometer.” Naast die extreem hoge dichtheid, vervolgt de natuurkundige, heeft een neutronenster ook een extreem sterk magneetveld, “miljarden keren sterker dan de sterkste velden op aarde”. En dat magneetveld kan ervoor zorgen dat bij de polen van een neutronenster enorme hoeveelheden axionen ontstaan (áls zulke deeltjes überhaupt op de ingrediëntenlijst van ons universum staan). En die axionen zouden zich vervolgens als een wolk rond het hele sterretje verspreiden.

Kosmische vuurtorens

De vraag is vervolgens: kunnen we vanaf de aarde iets zien van zo’n wolk? Cruciaal is daarbij hoe zo’n axion eigenlijk ontstaat bij een neutronenster: doordat een lichtdeeltje – een foton – in een axion verandert. Het omgekeerde kan dan óók gebeuren: een axion dat verandert in een foton. Voor een enkel axion onder normale omstandigheden is de kans op zo’n gedaanteverwisseling heel klein, maar in de wolk rond een neutronenster ligt dat anders. Daar zijn ten eerste bizar veel axionen bij elkaar te vinden. Ten tweede kunnen die dankzij de aanwezige magneetvelden ook nog eens veel makkelijker in fotonen veranderen. Daardoor zou zo’n axionenwolk een meetbaar signaal kunnen opleveren, in de vorm van radiostraling.

De vraag is alleen nog waar we dan precies naar op zoek moeten gaan. “Er is meer onderzoek nodig om de precieze vorm van het axionensignaal te kunnen beschrijven”, zegt Noordhuis. “Ook weten we nog niet hoe we dit signaal moeten onderscheiden van de rest van de straling die we zien als we naar een neutronenster kijken.”

Wel zou zo’n axionenwolk zichzelf ook op een andere manier prijs kunnen geven, schrijven collega’s van Noordhuis in een tweede artikel. Neutronensterren die rond hun as tollen, schijnen extreem regelmatig bundels radiostraling het heelal in, als een soort kosmische vuurtorens. Maar een grote hoeveelheid axionen kan zorgen voor onderbrekingen in die regelmaat. Zien we dus een neutronenster-vuurtoren in het heelal die om de zoveel tijd even uit lijkt te staan, dan zou dat kunnen wijzen op een axionenwolk.

Voor de rest zijn er vooral veel onbeantwoorde vragen, benadrukt Noordhuis. “Dit is de eerste keer dat dit type axionenwolk wordt besproken, dus er is natuurlijk nog veel werk te doen.” Werk dat bovendien de vereende krachten vereist van allerlei ‘smaken’ wetenschappers: astrodeeltjesfysici, plasmanatuurkundigen, radioastronomen… Willen we echt weten hoe we dit soort wolken kunnen spotten, dan is het alle hens aan dek. Met als mogelijke hoofdprijs éíndelijk weer eens een echt nieuw deeltje waar ik in dit blad over kan schrijven – zonder dat daar een deeltjesversneller aan te pas heeft hoeven komen.

Deze Far Out staat ook in KIJK 2/2025.