Desetletja po tem, ko je postalo jasno, da je vidno vesolje zgrajeno na ogrodju temne snovi, še vedno ne vemo, kaj temna snov pravzaprav je. V večjem obsegu obstajajo dokazi o sorti, imenovani WIMP: masivni delci s šibko interakcijo. Vendar pa obstajajo številne podrobnosti, ki jih je težko razložiti z uporabo WIMP, in desetletja iskanja delca niso prinesla ničesar, zaradi česar so ljudje odprti za idejo, da temno snov sestavlja nekaj drugega kot WIMP.

eno od naslednjih veliko kandidatov je nekaj, kar se imenuje aksion, delec s silo, ki je bil predlagan za rešitev problema na nepovezanem področju fizike. So veliko lažji od WIMP-jev, vendar imajo druge lastnosti, ki so skladne s temno snovjo, zaradi česar je zanimanje zanje nizko. Zdaj nov članek trdi, da ima gravitacijska leča (večinoma produkt temne snovi) lastnosti, ki jih je najbolje razložiti z lastnostmi, podobnimi aksionom.

Delec ali val?

Torej, kaj je Axion? Na najpreprostejši ravni je izjemno lahek delec brez spina, ki deluje kot nosilec sile. Prvotno so bili predlagani za zagotovitev, da kvantna kromodinamika, ki opisuje obnašanje močne sile, ki drži protone in nevtrone skupaj, ne prekine ohranjanja paritete naboja. Opravljenega je bilo veliko dela, da bi zagotovili združljivost osi z drugimi teoretičnimi okviri in najti nekaj Prizadevali so si jih izslediti. Toda osi so bile večinoma zavrnjene kot le ena od mnogih možnih rešitev problema, za katerega nismo ugotovili, kako ga rešiti.

Vendar so pritegnili nekaj pozornosti kot možna rešitev za temno snov. Toda vedenje temne snovi je bilo bolje razložiti s težkim delcem – natančneje z masivnim delcem s šibko interakcijo. Aksoni naj bi bili na svetlejši strani in bi lahko bili tako lahki kot skoraj brezmasni nevtrini. Iskanje sekir je ponavadi izključilo tudi veliko težjih gmot, kar je dodatno razjasnilo problem.

Toda Axions se morda vračajo ali pa vsaj ostanejo stabilni med WIMP-jevim obrazom. Izdelanih je bilo več detektorjev, ki poskušajo ujeti signale šibkih interakcij WIMP-jev, vendar so ostali prazni. Če so WIMP delci standardnega modela, bi o njihovi prisotnosti lahko sklepali na podlagi manjkajoče mase v trkalniku delcev. Noben dokaz za to ni prišel v ospredje. Zaradi tega so ljudje ponovno razmislili, ali so WIMP najboljša rešitev za temno snov.

Na kozmološkem merilu se WIMP še naprej zelo dobro prilegajo podatkom. Toda ko se spustiš na raven posameznih galaksij, obstajajo nekatere nenavadnosti, ki ne delujejo, razen če ima temna snov okoli galaksije kompleksno strukturo. Podobne stvari veljajo, ko poskušate preslikati temno snov posameznih galaksij na podlagi njene sposobnosti, da ustvari gravitacijsko lečo, ki popači prostor tako, da poveča in popači predmete v ozadju.

Novo delo poskuša te možne asimetrije povezati z razlikami med lastnostmi WIMPS in aksionov. Kot pove njihovo ime, bi se morali WIMP-ji obnašati kot diskretni delci, ki medsebojno delujejo skoraj v celoti preko gravitacije. V nasprotju s tem bi morali aksoni medsebojno delovati s kvantno interferenco, kar povzroča valovom podobne vzorce v njihovi frekvenci po galaksiji. Medtem ko bi se morala frekvenca WIMP postopoma zmanjševati z oddaljenostjo od galaktičnega jedra, bi morali aksoni tvoriti stoječe valove (tehnično soliton), ki povečujejo njihovo frekvenco v bližini galaktičnega jedra. Poleg tega bi moral zapleten interferenčni vzorec ustvariti območja, kjer v bistvu ni osi, in druga območja, kjer so prisotni v dvakratni povprečni gostoti.

težko opaziti

Z nekaj možnimi izjemami sestavlja temna snov večino mase Rimske ceste. Glede na to bi morala biti gravitacijska sila iz različnih območij galaksije zaradi teh interferenčnih vzorcev neenaka. Če je razlika med regijami dovolj velika, bi se to lahko pokazalo kot rahlo odstopanje v pričakovanem obnašanju gravitacijske leče. Torej bi se morali objekti za galaksijo še vedno videti kot slike z lečo; Morda se ne oblikujejo tako, kot smo pričakovali, ali na natančnih mestih, ki bi jih predvideli.

Modeliranje kaže, da so ta odstopanja tako majhna, da jih niti vesoljski teleskop Hubble ne bi mogel zaznati. Morda pa jih je mogoče zaznati na radijskih valovnih dolžinah tako, da v bistvu združimo podatke iz zelo ločenih radijskih teleskopov v en sam ogromen teleskop. (Ta pristop je omogočil teleskop Event Horizon ustvarite podobo črne luknje,

In vsaj v enem primeru imamo te podatke. HS 0810+2554 je masivna eliptična galaksija, ki se nahaja med našo in drugo galaksijo z aktivno črno luknjo v središču. Gravitacijska leča, ki jo ustvari galaksija v ospredju, ustvari štiri slike aktivne galaksije, vsaka s svetlim galaktičnim jedrom in dvema velikima curkoma materiala. Lahko primerjamo lokacijo in popačenje teh štirih slik na podlagi prisotnosti značilnega haloja temne snovi v galaksiji v ospredju.

Pri WIMP je to relativno preprosta zadeva, saj obstaja samo en vzorec, ki bi ga pričakovali: postopno zmanjševanje ravni temne snovi, ko se odmikate od galaktičnega jedra. Predvidevanja objektiva, ki temeljijo na tej porazdelitvi, se slabo ujemajo s podatki iz resničnega sveta, kjer se pojavijo slike z objektivom.

Izziv je narediti isto analizo na podlagi aksialnih interferenčnih vzorcev, ki so kaotični: dvakrat zaženite model z različnimi začetnimi pogoji in dobili boste drugačen interferenčni vzorec. Zato je v resnični galaksiji, ki izvaja leče, verjetnost, da dobimo galaksijo, ki dejansko obstaja, zelo majhna. Namesto tega je raziskovalna skupina izvedla 75 različnih modelov z naključno izbranimi začetnimi pogoji. Mimogrede, nekatera od teh so ustvarila popačenja, podobna tistim, ki jih vidimo v podatkih iz resničnega sveta, ki običajno vplivajo le na eno od štirih slik z lečo. Zato raziskovalci sklepajo, da so popačenja v slikah z lečo skladna s haloji temne snovi, strukturiranimi s kvantno interferenco aksonov.

Torej, ali je res Axis?

Analiza ene same galaksije nikoli ne bo dokončna odločitev za kar koli in obstaja več razlogov, da smo tu še posebej previdni. Prvič, raziskovalci so naredili nekaj predpostavk o porazdelitvi normalne, vidne snovi v galaksiji, ki ima tudi gravitacijski vpliv. Eliptične galaksije pa naj bi bile rezultat združevanja manjših galaksij, kar lahko vpliva na porazdelitev snovi na subtilen način, ki ga je težko zaznati s sledenjem porazdelitve normalne snovi.

Nazadnje, ta vrsta interferenčnega vzorca deluje samo z izjemnimi svetlobnimi osemi reda 10.^-22 elektronski volt. Nasprotno pa je masa elektrona približno 500.000 elektronvoltov. Zaradi tega bi lahko bili aksioni še lažji od nevtrinov.

In avtorji novega prispevka sami so večinoma previdni glede tukajšnjih dokazov in svoj prispevek končajo s stavkom: “Ugotavljanje, ali [WIMP- or axion-based dark matter] boljša ponovljivost astrofizikalnih opazovanj bi nagnila tehtnico k enemu od dveh sorodnih razredov teorij za novo fiziko.« Toda njegova previdnost se izmuzne v zadnjem stavku povzetka, kjer piše, »potencial [axion-based dark matter] Za razrešitev anomalij leč tudi v zahtevnih primerih, kot je HS 0810+2554, skupaj z njegovim uspehom pri reprodukciji drugih astronomskih opazovanj, nagiba ravnovesje k novi fiziki, ki uporablja osi.

Seveda bomo kmalu videli, ali to mnenje delijo tudi fiziki, ki stojijo za avtorji in strokovnimi ocenjevalci tega prispevka.

Astronomija narave, 2023. doi: 10.1038/S41550-023-01943-9 ,O DOI,