Nový pohled na „Einsteinovy ​​prstence“ kolem vzdálených galaxií nás přivedl blíže k vyřešení debaty o temné hmotě

Fyzici věří, že většinu hmoty ve vesmíru tvoří neviditelná hmota, o které víme pouze díky jejím nepřímým účinkům na hvězdy a galaxie, které můžeme vidět.

Nejsme blázni! Bez této „temné hmoty“ by vesmír, jak ho vidíme, neměl žádný význam.

Ale povaha temné hmoty je prastará záhada. ale, Nová studie Napsal Alfred Amroth z University of Hong Kong a kolegové, publikoval v přírodní astronomiepoužívá gravitační ohyb světla, aby nás přivedl o krok blíže k pochopení.

Neviditelný, ale všudypřítomný

Důvod, proč si myslíme, že temná hmota existuje, je ten, že můžeme vidět její gravitační účinky na chování galaxií. Konkrétně se zdá, že temná hmota tvoří asi 85 % hmoty vesmíru a zdá se, že většina vzdálených galaxií, které můžeme vidět, je obklopena halo záhadné hmoty.

Říká se jí ale temná hmota, protože nevyzařuje, neabsorbuje ani neodráží světlo, což velmi ztěžuje její detekci.

Takže jaké jsou tyto věci? Myslíme si, že to musí být nějaká neznámá základní částice, ale zatím si nejsme jisti. Všechny pokusy odhalit částice temné hmoty v laboratorních experimentech zatím selhaly a o jejich podstatě se fyzikové dohadují desítky let.

Vědci navrhli dva hlavní hypotetické kandidáty na temnou hmotu: relativně těžké postavy nazývané slabě interagující masivní částice (nebo WIMP) a extrémně lehké částice nazývané axiony. Teoreticky se WIMP chovají jako diskrétní částice, zatímco axiony se díky kvantové interferenci chovají hodně jako vlny.

Bylo těžké rozlišit mezi těmito dvěma možnostmi – ale malá objížďka kolem vzdálených galaxií poskytla vodítko.

Gravitační čočka a Einsteinovy ​​kroužky

Když světlo prochází vesmírem masivním objektem, jako je galaxie, jeho dráha je zakřivená, protože – podle teorie obecné relativity Alberta Einsteina – gravitace hmotného objektu deformuje prostor a čas kolem něj.

Výsledkem je, že někdy, když se podíváme na vzdálenou galaxii, můžeme vidět zkreslené obrazy jiných galaxií za ní. A pokud jsou věci dokonale zarovnány, světlo z galaxie v pozadí bude kroužit kolem nejbližší galaxie.

Toto zkreslení světla se nazývá „gravitační čočka“ a kruhy, které dokáže vytvořit, se nazývají „Einsteinovy ​​smyčky“.

Studiem toho, jak se prstence nebo jiné čočkovité obrazy zkreslují, se astronomové mohou dozvědět o vlastnostech halo temné hmoty obklopující nejbližší galaxii.

Axions vs. WIMP

A přesně to udělal Amroth a jeho tým ve své nové studii. Pozorovali několik systémů, kde bylo v pozadí kolem galaxie čočky v popředí vidět více kopií stejného objektu, se zvláštním zaměřením na systém nazvaný HS 0810+2554.

Pomocí podrobného modelování zjistili, jak by se obrázky zkreslily, kdyby byla temná hmota vyrobena z WIMP, oproti tomu, jak by to bylo, kdyby byla temná hmota tvořena axiony. Model WIMP nevypadal příliš jako skutečný, ale model axion přesně reprodukoval všechny funkce systému.

Zjištění naznačuje, že axiony jsou pravděpodobnějším kandidátem na temnou hmotu a jejich schopnost vysvětlit anomálie čočky a další astrofyzikální pozorování vědce dráždí.

částice a galaxie

Nový výzkum staví na předchozích studiích, které také ukázaly, že axiony jsou nejpravděpodobnější formou temné hmoty. Například, jedna studie se podíval na účinky axionové temné hmoty na kosmickém mikrovlnném pozadí, zatímco poslední Zkoumání chování temné hmoty v trpasličích galaxiích.

Přestože tento výzkum neukončí vědeckou debatu o povaze temné hmoty, otevírá nové cesty pro testování a experimentování. Například budoucí pozorování gravitační čočky by mohla být použita k prozkoumání vlnovité povahy axonů a případně k měření jejich hmotnosti.

Lepší pochopení temné hmoty bude mít důsledky pro to, co víme o fyzice částic a raném vesmíru. Může nám také pomoci lépe pochopit, jak se galaxie formují a mění v průběhu času.