Χωρίς WIMPS! Τα βαριά σωματίδια δεν εξηγούν τις φακοειδείς βαρυτικές ανωμαλίες – Ars Technica

Δεκαετίες αφότου είναι σαφές ότι το ορατό σύμπαν είναι χτισμένο σε ένα πλαίσιο σκοτεινής ύλης, δεν γνωρίζουμε ακόμα τι είναι στην πραγματικότητα η σκοτεινή ύλη. Σε μεγάλες κλίμακες, μια ποικιλία στοιχείων δείχνουν τα λεγόμενα WIMP: ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια. Αλλά υπάρχουν πολλές λεπτομέρειες που είναι δύσκολο να εξηγηθούν με τα WIMP, και δεκαετίες αναζήτησης για τα σωματίδια δεν βρήκαν τίποτα, αφήνοντας τους ανθρώπους ανοιχτούς στην ιδέα ότι κάτι διαφορετικό από ένα WIMP αποτελείται από σκοτεινή ύλη.

Ένας από τους πολλούς υποψήφιους είναι κάτι που ονομάζεται άξιον, ένα σωματίδιο που φέρει δύναμη που έχει προταθεί για να λύσει ένα πρόβλημα σε έναν άσχετο τομέα της φυσικής. Είναι πολύ ελαφρύτερα από τα WIMP, αλλά έχουν άλλες ιδιότητες που συνάδουν με τη σκοτεινή ύλη, οι οποίες έχουν διατηρήσει χαμηλό επίπεδο ενδιαφέροντος για αυτά. Τώρα, μια νέα δημοσίευση υποστηρίζει ότι υπάρχουν χαρακτηριστικά στον βαρυτικό φακό (σε μεγάλο βαθμό προϊόν της σκοτεινής ύλης) που μπορεί να εξηγηθούν καλύτερα από ιδιότητες που μοιάζουν με το αξόνιο.

Σωματίδιο ή κύμα;

Λοιπόν, τι είναι το axion; Στο απλούστερό του επίπεδο, είναι ένα πολύ ελαφρύ σωματίδιο χωρίς σπιν και λειτουργεί ως φορέας δύναμης. Αρχικά προτάθηκαν για να διασφαλιστεί ότι η κβαντική χρωμοδυναμική, η οποία περιγράφει τη συμπεριφορά της ισχυρής δύναμης που συνδέει τα πρωτόνια και τα νετρόνια μεταξύ τους, δεν διασπά τη διατήρηση της ισοτιμίας φορτίου. Έχει γίνει αρκετή δουλειά για να διασφαλιστεί ότι οι άξονες είναι συμβατοί με άλλα θεωρητικά πλαίσια και έχει γίνει κάποια έρευνα για να προσπαθήσουμε να τα καταλάβουμε. Αλλά τα axions έχουν ως επί το πλείστον αποδυναμωθεί ως μία από τις πολλές πιθανές λύσεις σε ένα πρόβλημα που δεν έχουμε ακόμη βρει πώς να λύσουμε.

Ωστόσο, έχουν προσελκύσει κάποιο ενδιαφέρον ως πιθανές λύσεις σκοτεινής ύλης. Αλλά η συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης εξηγείται καλύτερα από ένα βαρύ σωματίδιο – συγκεκριμένα ένα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικό σωματίδιο. Τα άξιον αναμενόταν να είναι στην ελαφρύτερη πλευρά και θα μπορούσαν να είναι τόσο ελαφριά όσο τα νετρίνα σχεδόν χωρίς μάζα. Οι αναζητήσεις σε axions τείνουν να αποκλείουν επίσης πολλές βαριές μάζες, γεγονός που καθιστά το πρόβλημα ακόμη πιο προφανές.

Αλλά τα άξιον μπορεί να επανεμφανιστούν, ή τουλάχιστον να παραμείνουν ακίνητα ενώ τα WIMP προσκρούουν. Έχουν κατασκευαστεί αρκετοί ανιχνευτές για να προσπαθήσουν να εντοπίσουν δείκτες αδύναμων αλληλεπιδράσεων για τα WIMP, και βγήκαν κενοί. Εάν τα WIMP είναι σωματίδια τυπικού μοντέλου, μπορούμε να συμπεράνουμε την ύπαρξή τους με βάση τη μάζα που χάνεται στους επιταχυντές σωματιδίων. Δεν έχει αποδειχτεί κάτι τέτοιο. Αυτό οδήγησε τους ανθρώπους να επανεξετάσουν εάν τα WIMP είναι η καλύτερη λύση για τη σκοτεινή ύλη.

Σε κοσμική κλίμακα, τα WIMP συνεχίζουν να ταιριάζουν πολύ καλά στα δεδομένα. Αλλά μόλις φτάσετε στα επίπεδα των μεμονωμένων γαλαξιών, υπάρχουν ορισμένες ανωμαλίες που δεν λειτουργούν καλά, εκτός εάν το φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης που περιβάλλει έναν γαλαξία έχει πολύπλοκη δομή. Παρόμοια πράγματα ακούγονται αληθινά όταν προσπαθείτε να χαρτογραφήσετε τη σκοτεινή ύλη μεμονωμένων γαλαξιών με βάση την ικανότητά της να δημιουργεί έναν βαρυτικό φακό που παραμορφώνει το διάστημα έτσι ώστε να μεγεθύνει και να παραμορφώνει τα αντικείμενα του φόντου.

Η νέα εργασία επιχειρεί να συσχετίσει αυτές τις πιθανές ανωμαλίες με τη διαφορά μεταξύ των ιδιοτήτων του WIMPS και των axions. Όπως υποδηλώνει το όνομά του, τα WIMP πρέπει να συμπεριφέρονται σαν διακριτά σωματίδια, αλληλεπιδρώντας σχεδόν εξ ολοκλήρου μέσω της βαρύτητας. Αντίθετα, τα άξονα πρέπει να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω κβαντικής παρεμβολής, η οποία δημιουργεί κυματοειδή μοτίβα στη συχνότητά τους σε όλο τον γαλαξία. Έτσι, ενώ η συχνότητα των WIMP θα πρέπει να μειώνεται ήπια με την απόσταση από τον γαλαξιακό πυρήνα, τα άξονα θα πρέπει να σχηματίζουν ένα στάσιμο κύμα (τεχνικά, ένα σολιτόνιο) που ενισχύει τη συχνότητά τους κοντά στον γαλαξιακό πυρήνα. Πέρα από αυτό, τα πολύπλοκα μοτίβα παρεμβολών θα πρέπει να δημιουργούν περιοχές όπου ουσιαστικά απουσιάζουν οι άξονες και άλλες περιοχές όπου υπάρχουν με διπλάσια ένταση από τη μέση.

Δύσκολος ο εντοπισμός

Με μερικές πιθανές εξαιρέσεις, η σκοτεινή ύλη αποτελεί την πλειοψηφία της μάζας ενός γαλαξία. Δεδομένου αυτού, αυτά τα μοτίβα παρεμβολής πρέπει να κάνουν τη βαρυτική έλξη από διαφορετικές περιοχές του γαλαξία να είναι άνιση. Εάν οι διαφορές μεταξύ των περιοχών είναι αρκετά μεγάλες, αυτό πιθανότατα θα εκδηλωθεί ως μικρές αποκλίσεις στην αναμενόμενη συμπεριφορά του βαρυτικού φακού. Επομένως, τα αντικείμενα πίσω από τον γαλαξία πρέπει να εξακολουθούν να εμφανίζονται ως φακοειδείς εικόνες. Μπορεί να μην έχει διαμορφωθεί όπως το περιμένουμε ή ακριβώς στη θέση που περιμένουμε να είναι.

Η μοντελοποίηση δείχνει ότι αυτές οι εκτροπές είναι αρκετά μικρές ώστε ούτε το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble δεν μπόρεσε να τις καταγράψει. Αλλά μπορεί να είναι δυνατό να ανιχνευθούν σε μήκη κύματος ραδιοφώνου με τη συγχώνευση δεδομένων από ευρέως διαχωρισμένα ραδιοτηλεσκόπια σε αυτό που είναι ουσιαστικά ένα γιγάντιο τηλεσκόπιο. (Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στο τηλεσκόπιο Event Horizon να δημιουργήσει μια εικόνα μιας μαύρης τρύπας.)

Και σε τουλάχιστον μία περίπτωση, έχουμε αυτά τα δεδομένα. Ο HS 0810+2554 είναι ένας τεράστιος ελλειπτικός γαλαξίας που βρίσκεται ανάμεσα σε εμάς και μια ενεργή μαύρη τρύπα στην καρδιά ενός άλλου γαλαξία. Ο βαρυτικός φακός που δημιουργείται από τον γαλαξία στο προσκήνιο δημιουργεί τέσσερις εικόνες του ενεργού γαλαξία, η καθεμία με έναν φωτεινό γαλαξιακό πυρήνα και δύο μεγάλους πίδακες υλικού που εκτείνονται από αυτόν. Είναι δυνατό να συγκρίνουμε τη θέση και την παραμόρφωση αυτών των τεσσάρων εικόνων με αυτό που θα περιμέναμε με βάση την παρουσία ενός τυπικού φωτοστέφανου σκοτεινής ύλης στον γαλαξία στο προσκήνιο.

Είναι σχετικά απλό με τα WIMP, καθώς υπάρχει μόνο ένα μοτίβο που θα περιμέναμε: μια σταδιακή πτώση στα επίπεδα της σκοτεινής ύλης καθώς απομακρύνεστε από τον γαλαξιακό πυρήνα. Οι προβλέψεις φακών που βασίζονται σε αυτήν την κατανομή κάνουν κακή δουλειά όσον αφορά την αντιστοίχιση των πραγματικών δεδομένων για το πού εμφανίζονται οι εικόνες με τους φακούς.

Η πρόκληση είναι να εκτελέσετε την ίδια ανάλυση με βάση τα μοτίβα παρεμβολής των χαοτικών αξόνων: εκτελέστε το μοντέλο δύο φορές με διαφορετικές αρχικές συνθήκες και θα έχετε διαφορετικό μοτίβο παρεμβολής. Έτσι, οι πιθανότητες να κάνουμε τους φακούς αυτούς στον πραγματικό γαλαξία είναι πολύ μικρές. Αντίθετα, η ερευνητική ομάδα έτρεξε 75 διαφορετικά μοντέλα με αρχικές συνθήκες επιλεγμένες τυχαία. Κατά λάθος, δημιούργησα μερικές από αυτές τις παραμορφώσεις παρόμοιες με αυτές που παρατηρούνται στα δεδομένα του πραγματικού κόσμου, συνήθως επηρεάζοντας μόνο μία από τις τέσσερις εικόνες με φακό. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι παραμορφώσεις στις φακοειδείς εικόνες είναι σύμφωνες με ένα φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης που σχηματίζεται από κβαντική παρεμβολή των αξόνων.

Λοιπόν, είναι πραγματικά άξιον;

Η ανάλυση ενός μεμονωμένου γαλαξία δεν θα είναι κάτι κρίσιμο, και υπάρχουν πολλοί λόγοι για να είμαστε πιο προσεκτικοί εδώ. Για παράδειγμα, οι ερευνητές έχουν κάνει κάποιες υποθέσεις σχετικά με την κατανομή της συνηθισμένης και ορατής ύλης στον γαλαξία, η οποία έχει επίσης βαρυτική επίδραση. Πιστεύεται ότι οι ελλειπτικοί γαλαξίες είναι το αποτέλεσμα συγχωνεύσεων μικρότερων γαλαξιών, που μπορεί να επηρεάσουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης με λεπτούς τρόπους που είναι δύσκολο να ανιχνευθούν ανιχνεύοντας την κατανομή της κανονικής ύλης.

Τέλος, αυτό το είδος επικαλυπτόμενου σχεδίου λειτουργεί μόνο για ασυνήθιστα ελαφρούς άξονες – της τάξης του 10^-22 ηλεκτρονιοβολτ. Αντίθετα, η μάζα του ίδιου του ηλεκτρονίου είναι περίπου 500.000 ηλεκτρονιοβολτ. Αυτό θα έκανε τα άξιον πολύ ελαφρύτερα ακόμη και από τα νετρίνα.

Οι ίδιοι οι συγγραφείς της νέας εργασίας είναι ως επί το πλείστον επιφυλακτικοί σχετικά με τα στοιχεία εδώ, ολοκληρώνοντας την εργασία τους με την φράση: «Προσδιορίστε εάν [WIMP- or axion-based dark matter] Η καλύτερη αναπαραγωγή των αστροφυσικών παρατηρήσεων θα γέρνει την ισορροπία προς μία από τις δύο παρόμοιες κατηγορίες θεωριών της νέας φυσικής. Αλλά η προσοχή τους ξεφεύγει στην τελευταία πρόταση της περίληψης, όπου γράφουν, «Ικανότητα». [axion-based dark matter] Η επίλυση των ανωμαλιών του φακού ακόμη και σε δύσκολες περιπτώσεις όπως το HS 0810+2554, μαζί με την επιτυχία του στην αναπαραγωγή άλλων αστροφυσικών παρατηρήσεων, γέρνουν την ισορροπία προς νέους άξονες που επικαλούνται τη φυσική. “

Θα δούμε, αναμφίβολα σύντομα, εάν οι φυσικοί συμμερίζονται αυτά τα συναισθήματα πέρα ​​από τους συγγραφείς και τους ομοτίμους κριτές αυτής της εργασίας.

Natural Astronomy, 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (σχετικά με τα DOI).