ŽIADNE WIMPS! Ťažké častice nevysvetľujú anomálie gravitačnej šošovky – Ars Technica

Desaťročia po tom, čo sa ukázalo, že viditeľný vesmír je postavený na ráme temnej hmoty, stále nevieme, čo temná hmota vlastne je. Vo väčšom meradle existujú dôkazy o odrode nazývanej WIMP: slabo interagujúce masívne častice. Existuje však množstvo detailov, ktoré je ťažké vysvetliť pomocou WIMP, a desaťročia hľadania častice nepriniesli nič, čo ponecháva ľudí otvorených myšlienke, že temnú hmotu tvoria niečo iné ako WIMP.

Jedným z mnohých kandidátov je častica nesúca silu nazývaná axion, ktorá bola navrhnutá na vyriešenie problému v nesúvisiacej oblasti fyziky. Sú oveľa ľahšie ako WIMP, ale majú iné vlastnosti v súlade s temnou hmotou, čo vedie k nízkemu záujmu o ne. Teraz nový článok tvrdí, že gravitačná šošovka (väčšinou produkt tmavej hmoty) má vlastnosti, ktoré sa najlepšie dajú vysvetliť vlastnosťami podobnými axiónom.

Častica alebo vlna?

Takže, čo je Axion? Na najjednoduchšej úrovni je to extrémne ľahká častica bez rotácie, ktorá pôsobí ako nosič sily. Pôvodne boli navrhnuté, aby zabezpečili, že kvantová chromodynamika, ktorá opisuje správanie silnej sily, ktorá drží protóny a neutróny pohromade, nenaruší zachovanie parity náboja. Urobila sa značná práca, aby sa zabezpečilo, že osi sú kompatibilné s inými teoretickými rámcami, a urobili sa niektoré objavy na ich lokalizáciu. Ale osi boli väčšinou zrušené ako jedno z mnohých možných riešení problému, na ktorý sme neprišli.

Upútali však určitú pozornosť ako možné riešenie temnej hmoty. Ale správanie temnej hmoty bolo lepšie vysvetlené ťažkou časticou – konkrétne slabo interagujúcou masívnou časticou. Očakávalo sa, že axóny budú na ľahšej strane a potenciálne by mohli byť také ľahké ako takmer bezhmotné neutrína. Hľadanie osí malo tendenciu vylúčiť aj mnoho ťažších hmôt, čím sa problém ďalej objasnil.

Ale Axions sa možno vracajú, alebo aspoň zostanú stabilné počas prestavby WIMP. Bolo vytvorených niekoľko detektorov, aby sa pokúsili zachytiť slabé interakčné signály WIMP, a vyšli naprázdno. Ak sú WIMP častice štandardného modelu, mohli sme ich prítomnosť odvodiť na základe chýbajúcej hmoty v zrážači častíc. Žiadny dôkaz o tom neprišiel do popredia. To viedlo ľudí k tomu, aby prehodnotili, či sú WIMP najlepším riešením temnej hmoty.

V kozmologických mierkach WIMP naďalej veľmi dobre zodpovedajú údajom. Keď sa však dostanete na úroveň jednotlivých galaxií, sú tu niektoré zvláštnosti, ktoré nefungujú, pokiaľ temná hmota okolo galaxie nemá zložitú štruktúru. Podobné veci sú pravdou, keď sa pokúšate zmapovať temnú hmotu jednotlivých galaxií na základe jej schopnosti vytvárať gravitačnú šošovku, ktorá deformuje priestor tak, že zväčšuje a deformuje objekty v pozadí.

Nová práca sa pokúša spojiť tieto možné asymetrie s rozdielmi medzi vlastnosťami WIMPS a axiónov. Ako naznačuje ich názov, WIMP by sa mali správať ako diskrétne častice, ktoré interagujú takmer výlučne prostredníctvom gravitácie. Na rozdiel od toho by axóny mali navzájom interagovať prostredníctvom kvantovej interferencie, čo by vo svojej frekvencii v celej galaxii spôsobovalo vlnové vzory. Preto, zatiaľ čo frekvencia WIMP by mala postupne klesať so vzdialenosťou od galaktického jadra, axóny by mali tvoriť stojatú vlnu (technicky solitón), ktorá zvyšuje ich frekvenciu v blízkosti galaktického jadra. Okrem toho by mal komplexný interferenčný obrazec vytvárať oblasti, kde v podstate neexistujú žiadne osi a iné oblasti, kde sú prítomné v dvojnásobnej priemernej hustote.

ťažko rozoznateľný

Až na pár možných výnimiek tvorí väčšinu hmoty Mliečnej dráhy temná hmota. Vzhľadom na to by gravitačná sila z rôznych oblastí galaxie mala byť v dôsledku týchto interferenčných vzorov nerovnaká. Ak je rozdiel medzi regiónmi dostatočne veľký, môže sa to potenciálne prejaviť ako mierna odchýlka v očakávanom správaní gravitačných šošoviek. Takže objekty za galaxiou by sa mali stále javiť ako šošovkové obrazy; Možno sa nevytvoria tak, ako sme očakávali, alebo na presných miestach, ktoré by sme predpovedali.

Modelovanie naznačuje, že tieto odchýlky sú také malé, že ich nedokázal zachytiť ani Hubbleov vesmírny teleskop. Možno ich však bude možné odhaliť na rádiových vlnových dĺžkach v podstate spojením údajov zo široko oddelených rádioteleskopov do jedného obrovského teleskopu. (Tento prístup umožnil ďalekohľadu Event Horizon Telescope zobraziť čiernu dieru.)

A aspoň v jednom prípade máme tieto údaje. HS 0810+2554 je masívna eliptická galaxia nachádzajúca sa medzi našou a inou galaxiou s aktívnou čiernou dierou v jej strede. Gravitačná šošovka vytvorená galaxiou v popredí vytvára štyri obrazy aktívnej galaxie, z ktorých každý má jasné galaktické jadro a dva veľké výtrysky materiálu. Je možné porovnať umiestnenie a skreslenie týchto štyroch obrázkov na základe prítomnosti výrazného halo temnej hmoty v galaxii v popredí.

S WIMP je to relatívne jednoduchá záležitosť, pretože existuje len jeden vzorec, ktorý by sme očakávali: postupný pokles úrovne temnej hmoty, keď sa vzďaľujete od galaktického jadra. Predpovede šošovky založené na tejto distribúcii robia zlú prácu pri porovnávaní skutočných údajov, kde sa objavujú šošovkové obrázky.

Výzvou je urobiť rovnakú analýzu založenú na axiálnych interferenčných vzoroch, ktoré sú chaotické: spustite model dvakrát s rôznymi počiatočnými podmienkami a získate iný interferenčný vzor. Preto je v skutočnej galaxii, ktorá vykonáva šošovkovanie, pravdepodobnosť získania skutočne existujúcej galaxie veľmi malá. Namiesto toho výskumný tím spustil 75 rôznych modelov s náhodne vybranými počiatočnými podmienkami. Mimochodom, niektoré z nich vytvorili deformácie podobné tým, ktoré sa vyskytujú v údajoch z reálneho sveta, pričom zvyčajne ovplyvňujú iba jeden zo štyroch objektívov. Vedci preto dospeli k záveru, že skreslenia na obrázkoch šošoviek sú v súlade s halami temnej hmoty štruktúrovanými kvantovou interferenciou axónov.

Takže je to naozaj Osa?

Analýza jedinej galaxie nikdy nebude presvedčivým oklamaním ničoho a existuje niekoľko dôvodov, prečo byť mimoriadne opatrný. Po prvé, výskumníci urobili niekoľko predpokladov o distribúcii normálnej, viditeľnej hmoty v galaxii, ktorá má tiež gravitačný vplyv. A predpokladá sa, že eliptické galaxie sú výsledkom spájania menších galaxií, čo môže ovplyvniť distribúciu hmoty jemnými spôsobmi, ktoré je ťažké odhaliť sledovaním distribúcie normálnej hmoty.

Nakoniec, tento typ interferenčného obrazca funguje iba s výnimočnými svetelnými osami rádovo 10.^-22 elektrónvolt. Naproti tomu hmotnosť elektrónu je asi 500 000 elektrónvoltov. To by potenciálne spôsobilo, že axióny budú ešte ľahšie ako neutrína.

A samotní autori nového príspevku sú tu k dôkazom väčšinou opatrní a svoj príspevok končia vetou: „Zisťovanie, či [WIMP- or axion-based dark matter] lepšia reprodukovateľnosť astrofyzikálnych pozorovaní by naklonila rovnováhu smerom k jednej z dvoch príbuzných tried teórií novej fyziky.“ Jeho opatrnosť však skĺzne v poslednej vete abstraktu, kde píše, „potenciál [axion-based dark matter] Vyriešenie anomálií šošovky aj v náročných prípadoch, ako je HS 0810+2554, spolu s úspechom pri reprodukovaní iných astronomických pozorovaní nakláňa rovnováhu smerom k novej fyzike s použitím osí.

Samozrejme, čoskoro uvidíme, či tento názor zdieľajú aj fyzici stojaci za autormi a recenzentmi tohto článku.

Prírodná astronómia, 2023. doi: 10.1038/S41550-023-01943-9 (o DOI).