Un axión es una partícula elemental hipotética cuya existencia se postuló para explicar por qué ciertas reacciones subatómicas parecen violar las restricciones básicas de simetría, en particular simetría en el tiempo. El Premio Nobel de Física de 1980 fue por el descubrimiento de reacciones asimétricas en el tiempo. Mientras tanto, durante las siguientes décadas, Los astrónomos que estudiaban los movimientos de las galaxias y el carácter de la radiación cósmica de fondo de microondas se dieron cuenta de que la mayor parte de la materia del universo no era visible. Fue apodado materia oscura, y las mejores mediciones de hoy muestran que alrededor del 84% de la materia en el cosmos es oscura. Este componente es oscuro no solo porque no emite luz, no está compuesto por átomos o sus constituyentes habituales, como electrones y protones, y su naturaleza es misteriosa. Se han sugerido axiones como una posible solución. Físicos de partículas, sin embargo, hasta ahora no han podido detectar directamente axiones, dejando su existencia en duda y revitalizando los acertijos que se suponía que debían resolver.

El astrónomo de CfA Paul Nulsen y sus colegas utilizaron un método novedoso para investigar la naturaleza de los axiones. La mecánica cuántica restringe los axiones, si existen, para interactuar con la luz en presencia de un campo magnético. A medida que se propagan a lo largo de un campo fuerte, los axiones y fotones deben transmutar de uno a otro de forma oscilatoria. Debido a que la fuerza de cualquier posible efecto depende en parte de la energía de los fotones, los astrónomos utilizaron el Observatorio de rayos X Chandra para monitorear la emisión de rayos X brillantes de las galaxias. Observaron rayos X del núcleo de la galaxia M87, que se sabe que tiene fuertes campos magnéticos, y que (a una distancia de sólo cincuenta y tres millones de años luz) está lo suficientemente cerca como para permitir mediciones precisas de las variaciones en el flujo de rayos X. Es más, M87 se encuentra en un cúmulo de galaxias, el cúmulo de Virgo, lo que debería asegurar que los campos magnéticos se extiendan a escalas muy grandes y también facilitar la interpretación. No menos importante, M87 se ha estudiado cuidadosamente durante décadas y sus propiedades son relativamente bien conocidas.

La búsqueda no encontró la firma de axiones. Lo hace, sin embargo, establecer un nuevo límite importante en la fuerza del acoplamiento entre axiones y fotones, y es capaz de descartar una fracción sustancial de los posibles experimentos futuros que podrían emprenderse para detectar axiones. Los científicos señalan que su investigación destaca el poder de la astronomía de rayos X para investigar algunos problemas básicos de la física de partículas, y señalar las actividades de investigación complementarias que se pueden realizar en otras galaxias brillantes que emiten rayos X.