Но ВИМПС! Тешке честице не објашњавају лентикуларне гравитационе аномалије – Арс Тецхница

Деценијама након што је постало јасно да је видљиви универзум изграђен на оквиру тамне материје, још увек не знамо шта је заправо тамна материја. У великим размерама, различити докази указују на такозване ВИМП-ове: масивне честице са слабом интеракцијом. Али постоји низ детаља које је тешко објаснити са ВИМП-има, а деценије потраге за честицама нису показале ништа, остављајући људе отвореним за идеју да је нешто друго осим ВИМП-а направљено од тамне материје.

Један од многих кандидата је нешто што се зове аксион, честица која носи силу и која је предложена да реши проблем у неповезаној области физике. Они су много лакши од ВИМП-а, али имају друга својства која су у складу са тамном материјом, што је задржало низак ниво интересовања за њих. Сада, нови рад тврди да постоје карактеристике гравитационог сочива (углавном производ тамне материје) које се могу боље објаснити својствима сличним аксионима.

честица или талас?

Дакле, шта је аксион? На свом најједноставнијем нивоу, то је веома лагана честица без спина и делује као носилац силе. Првобитно су предложени да осигурају да квантна хромодинамика, која описује понашање јаке силе која повезује протоне и неутроне заједно, не наруши очување паритета наелектрисања. Урађено је довољно посла како би се осигурало да су осе компатибилне са другим теоријским оквирима, а урађена су и нека истраживања како би се покушало да се открију. Али аксиони су углавном ослабили као једно од бројних потенцијалних решења за проблем који још нисмо схватили како да решимо.

Међутим, они су привукли одређено интересовање као потенцијална решења тамне материје. Али понашање тамне материје најбоље се може објаснити тешком честицом – посебно масивном честицом са слабом интеракцијом. Очекивало се да ће аксиони бити на лакшој страни и да могу бити лаки као неутрини скоро без масе. Претраге на аксионима такође имају тенденцију да искључе многе тешке масе, што проблем чини још очигледнијим.

Али аксиони се могу поново појавити, или барем остати непомични док се ВИМП-ови суочавају. Постојао је велики број детектора направљених да покушају да идентификују индикаторе слабих интеракција за ВИМП-ове, и они су испали празни. Ако су ВИМП честице стандардног модела, можемо закључити њихово постојање на основу масе изгубљене у сударачима честица. Нису приказани никакви докази о томе. Ово је навело људе да преиспитају да ли су ВИМП-ови најбоље решење за тамну материју.

На космичким скалама, ВИМП-ови се и даље веома добро уклапају у податке. Али када се спустите на нивое појединачних галаксија, постоје неке аномалије које не функционишу добро осим ако ореол тамне материје који окружује галаксију нема сложену структуру. Сличне ствари звуче истинито када покушате да мапирате тамну материју појединачних галаксија на основу њене способности да створи гравитационо сочиво које искривљује простор тако да увећава и изобличује позадинске објекте.

Нови рад покушава да повеже ове потенцијалне аномалије са разликом између својстава ВИМПС-а и аксиона. Као што му име говори, ВИМП-ови морају да се понашају као дискретне честице, у интеракцији готово у потпуности путем гравитације. Насупрот томе, аксиони морају да комуницирају једни са другима путем квантне интерференције, што ствара таласне обрасце у њиховој фреквенцији у целој галаксији. Дакле, док би фреквенција ВИМП-ова требало да се лагано смањује са растојањем од галактичког језгра, аксиони би требало да формирају стојећи талас (технички, солитон) који повећава њихову фреквенцију у близини галактичког језгра. Осим тога, сложени обрасци интерференције би требало да створе регионе у којима су осе у суштини одсутне и друге регионе у којима су присутне двоструко већим од просечног интензитета.

Тешко је лоцирати

Уз неке могуће изузетке, тамна материја чини већину масе галаксије. С обзиром на ово, ови обрасци интерференције морају узроковати да гравитационо привлачење из различитих региона галаксије буде неуједначено. Ако су разлике између региона довољно велике, то ће се вероватно манифестовати као мала одступања у очекиваном понашању гравитационог сочива. Према томе, објекти иза галаксије и даље морају изгледати као лентикуларне слике; Можда неће бити формиран онако како очекујемо или тачно на локацији на којој очекујемо да буде.

Моделирање показује да су ове аберације довољно мале да чак ни свемирски телескоп Хабл није успео да их ухвати. Али можда их је могуће открити на радио таласним дужинама спајањем података са широко раздвојених радио телескопа у оно што је у суштини један џиновски телескоп. (Овај приступ је омогућио Евент Хоризон Телескоп да створи слику црне рупе.)

И бар у једном случају имамо те податке. ХС 0810+2554 је масивна елиптична галаксија која се налази између нас и активне црне рупе у срцу друге галаксије. Гравитационо сочиво које ствара галаксија у првом плану ствара четири слике активне галаксије, свака са светлим галактичким језгром и два велика млаза материјала који се протежу из њега. Могуће је упоредити локацију и изобличење ове четири слике са оним што бисмо очекивали на основу присуства типичног ореола тамне материје у галаксији у првом плану.

То је релативно једноставна ствар са ВИМП-има, пошто постоји само један образац који очекујемо: постепени пад нивоа тамне материје како се удаљавате од галактичког језгра. Предвиђања сочива заснована на овој дистрибуцији лоше раде на усклађивању података из стварног света о томе где се слике појављују на сочивима.

Изазов је да се изврши иста анализа заснована на обрасцима интерференције хаотичних аксија: покрените модел два пута са различитим почетним условима и добићете другачији образац интерференције. Тако да су шансе да се они у галаксији из стварног света заиста наведу на сочива прилично мале. Уместо тога, истраживачки тим је покренуо 75 различитих модела са насумично одабраним почетним условима. Случајно сам направио неке од ових изобличења сличних онима које се виде у подацима из стварног света, обично утичући на само једну од четири слике са сочивом. Стога су истраживачи закључили да су изобличења на лентикуларним сликама у складу са ореолом тамне материје насталом квантном интерференцијом аксиона.

Дакле, да ли су они заиста аксиони?

Анализирање једне галаксије неће бити критичан убод у било шта, а овде постоји много разлога да будете опрезнији. На пример, истраживачи су направили неке претпоставке о дистрибуцији обичне и видљиве материје у галаксији, која такође има гравитациони утицај. Верује се да су елиптичне галаксије резултат спајања мањих галаксија, што може утицати на дистрибуцију тамне материје на суптилне начине које је тешко открити праћењем расподеле нормалне материје.

Коначно, ова врста преклапања ради само за необично лагане осе – реда величине 10^-22 електрон волт. Насупрот томе, маса самог електрона је око 500.000 електрон-волти. Ово би учинило аксије много лакшим од чак и неутрина.

Сами аутори новог рада углавном су опрезни у погледу доказа овде, закључујући свој рад реченицом: „Утврдите да ли [WIMP- or axion-based dark matter] Боља репродукција астрофизичких посматрања би нагнула равнотежу ка једној од две сличне класе теорија нове физике. Али њихов опрез измиче у последњој реченици резимеа, где пишу: „Способност“. [axion-based dark matter] Резолуција аномалија сочива чак иу изазовним случајевима као што је ХС 0810+2554, заједно са успехом у репродукцији других астрофизичких опсервација, нагиње равнотежу ка новим осовинама физике. „

Видећемо, без сумње, ускоро да ли и физичари, осим аутора и рецензената овог рада, деле ова осећања.

Природна астрономија, 2023. ДОИ: 10.1038 / с41550-023-01943-9 (о ДОИ).