Žádní WIMPS! Těžké částice nevysvětlují lentikulární gravitační anomálie – Ars Technica

Desetiletí poté, co je jasné, že viditelný vesmír je postaven na rámci temné hmoty, stále nevíme, co temná hmota vlastně je. Ve velkém měřítku ukazuje řada důkazů na takzvané WIMP: slabě interagující masivní částice. Existuje však řada detailů, které se pomocí WIMP těžko vysvětlují, a desetiletí hledání částic nepřineslo nic, takže lidé byli otevřeni myšlence, že z temné hmoty je vyrobeno něco jiného než WIMP.

Jedním z mnoha kandidátů je něco, co se nazývá axion, částice přenášející sílu, která byla navržena k vyřešení problému v nesouvisející oblasti fyziky. Jsou mnohem lehčí než WIMP, ale mají jiné vlastnosti v souladu s temnou hmotou, která o ně udržela nízkou úroveň zájmu. Nyní nový článek tvrdí, že existují rysy gravitační čočky (z velké části produkt temné hmoty), které lze lépe vysvětlit vlastnostmi podobnými axionům.

částice nebo vlna?

Takže, co je to axion? Na své nejjednodušší úrovni je to velmi lehká částice bez rotace a působí jako nosič síly. Původně byly navrženy, aby zajistily, že kvantová chromodynamika, která popisuje chování silné síly, která váže protony a neutrony dohromady, nenaruší zachování parity náboje. Bylo odvedeno dost práce, aby bylo zajištěno, že osy jsou kompatibilní s jinými teoretickými rámci, a byl proveden určitý výzkum, aby se je pokusil zjistit. Ale axiony většinou zeslábly jako jedno z mnoha potenciálních řešení problému, na který jsme dosud nepřišli.

Nicméně přitáhly určitý zájem jako potenciální řešení temné hmoty. Ale chování temné hmoty nejlépe vysvětluje těžká částice – konkrétně slabě interagující masivní částice. Očekávalo se, že axiony budou na lehčí straně a mohly by být lehké jako téměř bezhmotná neutrina. Hledání na axionech má tendenci vyloučit také mnoho těžkých hmot, což činí problém ještě zjevnějším.

Ale axiony se mohou znovu objevit, nebo alespoň zůstat nehybné, zatímco se WIMP usadí. Bylo vytvořeno několik detektorů, které se snažily identifikovat indikátory slabé interakce pro WIMP, a ty přišly prázdné. Pokud jsou WIMP částicemi standardního modelu, můžeme odvodit jejich existenci na základě hmotnosti ztracené v urychlovačích částic. Žádný důkaz o tom nebyl prokázán. To vedlo lidi k tomu, aby přehodnotili, zda jsou WIMP nejlepším řešením temné hmoty.

V kosmickém měřítku WIMP nadále velmi dobře odpovídají datům. Ale jakmile se dostanete na úrovně jednotlivých galaxií, existují některé anomálie, které nefungují dobře, pokud halo temné hmoty obklopující galaxii nemá složitou strukturu. Podobné věci zní pravdivě, když se pokusíte zmapovat temnou hmotu jednotlivých galaxií na základě její schopnosti vytvořit gravitační čočku, která deformuje prostor tak, že zvětšuje a deformuje objekty na pozadí.

Nová práce se pokouší dát tyto potenciální anomálie do souvislosti s rozdílem mezi vlastnostmi WIMPS a axionů. Jak jeho název napovídá, WIMP se musí chovat jako diskrétní částice, které interagují téměř výhradně prostřednictvím gravitace. Naproti tomu axiony musí vzájemně interagovat prostřednictvím kvantové interference, která vytváří vlnové vzory na jejich frekvenci v celé galaxii. Takže zatímco frekvence WIMP by se měla se vzdáleností od galaktického jádra mírně snižovat, axiony by měly tvořit stojatou vlnu (technicky soliton), která zvyšuje jejich frekvenci v blízkosti galaktického jádra. Kromě toho by komplexní interferenční obrazce měly vytvářet oblasti, kde osy v podstatě chybí, a další oblasti, kde jsou přítomny s dvojnásobnou průměrnou intenzitou.

Obtížné najít

Až na některé možné výjimky tvoří temná hmota většinu hmoty galaxie. Vzhledem k tomu musí tyto interferenční vzory způsobit, že gravitační síla z různých oblastí galaxie bude nerovnoměrná. Pokud jsou rozdíly mezi oblastmi dostatečně velké, pravděpodobně se to projeví jako mírné odchylky v očekávaném chování gravitační čočky. Proto se objekty za galaxií musí stále jevit jako lentikulární obrazy; Nemusí být vytvořen tak, jak očekáváme, nebo přesně na místě, kde očekáváme, že bude.

Modelování ukazuje, že tyto aberace jsou dostatečně malé, že je nedokázal zachytit ani Hubbleův vesmírný dalekohled. Ale může být možné je detekovat na rádiových vlnových délkách sloučením dat z široce oddělených radioteleskopů do toho, co je v podstatě jeden obrovský dalekohled. (Tento přístup umožnil dalekohledu Event Horizon Telescope vytvořit obraz černé díry.)

A alespoň v jednom případě tato data máme. HS 0810+2554 je masivní eliptická galaxie, která leží mezi námi a aktivní černou dírou v srdci jiné galaxie. Gravitační čočky vytvořené galaxií v popředí vytvářejí čtyři obrazy aktivní galaxie, každý s jasným galaktickým jádrem a dvěma velkými výtrysky materiálu, které z něj vycházejí. Je možné porovnat umístění a zkreslení těchto čtyř snímků s tím, co bychom očekávali na základě přítomnosti typického halo temné hmoty v popředí galaxie.

S WIMP je to relativně jednoduchá věc, protože existuje pouze jeden vzorec, který bychom očekávali: postupný pokles úrovní temné hmoty, jak se vzdalujete od galaktického jádra. Předpovědi čoček založené na této distribuci odvádějí špatnou práci při porovnávání skutečných dat o tom, kde se obrázky zobrazují čočkám čoček.

Úkolem je provést stejnou analýzu založenou na interferenčních vzorech chaotických axionů: spusťte model dvakrát s různými počátečními podmínkami a získáte jiný interferenční vzor. Pravděpodobnost, že objektivy skutečně přiměje lidi v galaxii skutečného světa, je tedy velmi malá. Místo toho výzkumný tým provedl 75 různých modelů s náhodně vybranými počátečními podmínkami. Náhodou jsem vytvořil některá z těchto deformací podobných těm, která jsou vidět v datech z reálného světa, obvykle postihující pouze jeden ze čtyř snímků s čočkou. Vědci proto dospěli k závěru, že deformace v lentikulárních obrazech jsou v souladu s halem temné hmoty vytvořeným kvantovou interferencí axionů.

Takže, jsou to opravdu axiony?

Analýza jedné galaxie nebude kritickým bodnutím do ničeho a existuje spousta důvodů, proč být opatrnější. Vědci například učinili určité předpoklady o rozložení běžné a viditelné hmoty v galaxii, která má také gravitační vliv. Předpokládá se, že eliptické galaxie jsou výsledkem sloučení menších galaxií, což může ovlivnit distribuci temné hmoty jemnými způsoby, které je obtížné zjistit sledováním rozložení normální hmoty.

Konečně, tento druh překrývajícího se vzoru funguje pouze pro neobvykle lehké osy – v řádu 10^-22 elektronvolt. Naproti tomu hmotnost samotného elektronu je asi 500 000 elektronvoltů. Díky tomu by byly axiony mnohem lehčí než dokonce neutrina.

Sami autoři nového příspěvku jsou zde k důkazům většinou opatrní a svůj příspěvek uzavírají větou: „Určete, zda [WIMP- or axion-based dark matter] Lepší reprodukce astrofyzikálních pozorování by naklonila rovnováhu směrem k jedné ze dvou podobných tříd teorií nové fyziky. Ale jejich opatrnost sklouzává v poslední větě shrnutí, kde píší: „Schopnost.“ [axion-based dark matter] Rozlišení anomálií čočky i v náročných případech, jako je HS 0810+2554, spolu s jeho úspěchem při reprodukci jiných astrofyzikálních pozorování naklání rovnováhu směrem k novým osám vyvolávajícím fyziku. „

Nepochybně brzy uvidíme, zda fyzici sdílejí tyto pocity i mimo autory a recenzenty tohoto článku.

Přírodní astronomie, 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (o DOI).