Een axion is een hypothetisch elementair deeltje waarvan het bestaan ​​werd gepostuleerd om te verklaren waarom bepaalde subatomaire reacties de fundamentele symmetriebeperkingen lijken te schenden, in het bijzonder symmetrie in de tijd. De Nobelprijs voor de natuurkunde van 1980 ging voor de ontdekking van tijdasymmetrische reacties. In de tussentijd, gedurende de volgende decennia, astronomen die de bewegingen van sterrenstelsels en het karakter van de kosmische microgolfachtergrondstraling bestudeerden, kwamen tot het besef dat de meeste materie in het universum niet zichtbaar was. Het werd donkere materie genoemd, en uit de beste metingen van vandaag blijkt dat ongeveer 84% van de materie in de kosmos donker is. Dit onderdeel is donker, niet alleen omdat het geen licht uitstraalt - het is niet samengesteld uit atomen of hun gebruikelijke bestanddelen, zoals elektronen en protonen, en de aard ervan is mysterieus. Axions zijn voorgesteld als een mogelijke oplossing. deeltjesfysici, echter, hebben tot nu toe niet direct axions kunnen detecteren, hun bestaan ​​in twijfel trekken en de puzzels die ze moesten oplossen nieuw leven inblazen.

CfA-astronoom Paul Nulsen en zijn collega's gebruikten een nieuwe methode om de aard van axionen te onderzoeken. Kwantummechanica beperken axions, als ze bestaan, interactie met licht in aanwezigheid van een magnetisch veld. Terwijl ze zich voortplanten langs een sterk veld, axionen en fotonen moeten op een oscillerende manier van de ene naar de andere transmuteren. Omdat de sterkte van elk mogelijk effect mede afhangt van de energie van de fotonen, de astronomen gebruikten het Chandra X-ray Observatory om de heldere röntgenstraling van sterrenstelsels te volgen. Ze observeerden röntgenstralen uit de kern van het sterrenstelsel M87, waarvan bekend is dat het sterke magnetische velden heeft, en die (op een afstand van slechts drieënvijftig miljoen lichtjaar) dichtbij genoeg is om nauwkeurige metingen van variaties in de röntgenstraalstroom mogelijk te maken. Bovendien, M 87 ligt in een cluster van sterrenstelsels, het Maagdcluster, die ervoor moeten zorgen dat de magnetische velden zich over zeer grote schalen uitstrekken en ook de interpretatie vergemakkelijken. niet in de laatste plaats, M87 is al tientallen jaren zorgvuldig bestudeerd en de eigenschappen ervan zijn relatief goed bekend.

De zoekopdracht vond de handtekening van axions niet. Het doet, echter, een belangrijke nieuwe grens stellen aan de sterkte van de koppeling tussen axionen en fotonen, en kan een aanzienlijk deel van de mogelijke toekomstige experimenten uitsluiten die zouden kunnen worden ondernomen om axionen te detecteren. De wetenschappers merken op dat hun onderzoek de kracht van röntgenastronomie benadrukt om enkele basiskwesties in de deeltjesfysica te onderzoeken, en wijzen op aanvullende onderzoeksactiviteiten die kunnen worden ondernomen op andere heldere sterrenstelsels die röntgenstraling uitzenden.