Никаких слабаков! Тяжелые частицы не объясняют линзовидную гравитационную аномалию

Спустя десятилетия после того, как стало ясно, что видимая Вселенная построена на основе темной материи, мы до сих пор не знаем, что такое темная материя на самом деле. В больших масштабах данные указывают на так называемые вимпы: слабо взаимодействующие массивные частицы. Но есть детали, которые трудно объяснить с помощью вимпов, и десятилетия поиска частиц ничего не дали, оставив людей открытыми для идеи, что все, кроме вимпов, состоит из темной материи.

Одним из многих кандидатов является нечто, называемое аксионом, переносящая силу частица, которая была предложена для решения задач в другой области физики. Они намного легче вимпов, но обладают другими свойствами, характерными для темной материи, что снижает их привлекательность. Теперь в новой статье утверждается, что в гравитационном линзировании (большинство из которых являются продуктами темной материи) есть особенности, которые можно лучше объяснить их аксионоподобными свойствами.

частица или волна?

Так что же такое аксионы? На простейшем уровне это чрезвычайно легкая частица без вращения, действующая как носитель силы. Первоначально они были предложены для того, чтобы квантовая хромодинамика, описывающая поведение сильных сил, удерживающих протоны и нейтроны вместе, не нарушала сохранение четности заряда. Была проделана значительная работа, чтобы убедиться, что ось совместима с другими теоретическими основами, и были проведены некоторые исследования, чтобы попытаться выяснить это. Но большинство аксионов недооценивалось как одно из потенциальных решений проблем, которые мы еще не нашли.

Однако они вызвали интерес как потенциальное решение темной материи. Но поведение темной материи лучше всего объясняется тяжелыми частицами, особенно массивными слабо взаимодействующими частицами. Ожидается, что фитиль будет легче и может быть таким же легким, как почти безмассовое нейтрино. Поиск аксионов, как правило, также исключает множество тяжелых мобов, что делает проблему еще более очевидной.

Но аксион может снова появиться или, по крайней мере, оставаться неподвижным, пока вимпы садятся лицом. Есть ряд встроенных детекторов, которые пытаются идентифицировать индикаторы слабого взаимодействия для вимпов, и они не дают результата. Если вимпы являются частицами Стандартной модели, мы можем сделать вывод об их существовании на основании массы, потерянной в коллайдере частиц. Никаких доказательств не показано. Это заставило людей задуматься о том, является ли WIMP лучшим решением для темной материи.

В космическом масштабе WIMP продолжает уточнять данные. Но как только вы доберетесь до уровня каждой галактики, вы обнаружите несколько аномалий, которые не проявятся, если ореол темной материи, окружающий галактику, не будет иметь сложной структуры. Нечто похожее звучит правдоподобно, когда вы пытаетесь нанести на карту темную материю каждой галактики, основываясь на ее способности создавать гравитационные линзы, искажающие пространство, увеличивая и искажая фоновые объекты.

В новой работе делается попытка связать эту потенциальную аномалию с различиями между свойствами WIMPS и аксиона. Как следует из названия, вимпы должны вести себя как дискретные частицы, взаимодействующие почти исключительно за счет гравитации. Вместо этого аксионы должны взаимодействовать друг с другом через квантовую интерференцию, которая создает волнообразный паттерн их частот по всей галактике. Таким образом, в то время как частота вимпов будет медленно уменьшаться по мере удаления от галактического ядра, аксионы должны образовывать стоячие волны (технически солитоны), частота которых увеличивается вблизи галактического ядра. Помимо этого, сложная интерференционная картина должна создавать область, где ось практически отсутствует, и другую область, где ось присутствует с удвоенной средней интенсивностью.

Трудно найти

За несколькими возможными исключениями, темная материя составляет большую часть массы галактик. Учитывая это, эта интерференционная картина должна вызывать неравномерность гравитационного притяжения различных регионов галактики. Если различия между областями достаточно велики, это, скорее всего, проявится в виде небольших отклонений в ожидаемом поведении гравитационного линзирования. Следовательно, объекты позади галактики должны по-прежнему казаться линзообразными тенями; Возможно, он образовался не так, как мы ожидали, или не в том месте, где мы ожидали.

Моделирование показывает, что эти отклонения настолько малы, что даже космический телескоп Хаббла не может их уловить. Но, возможно, их удастся обнаружить на радиоволнах, объединив данные с далеко разнесенных радиотелескопов в один гигантский телескоп. (Этот подход позволяет телескопу Event Horizon создавать изображения черных дыр.)

И по крайней мере в одном случае у нас есть такие данные. HS 0810+2554 — массивная эллиптическая галактика, расположенная между нами и активной черной дырой в центре другой галактики. Гравитационное линзирование, созданное галактикой переднего плана, создало четыре изображения активной галактики, каждое из которых имеет яркое галактическое ядро ​​и два больших материальных луча, исходящих от него. Можно сравнить расположение и искажение этих четырех изображений с тем, что можно было бы ожидать, исходя из наличия характерного ореола темной материи в галактике переднего плана.

Это относительно просто сделать с вимпом, потому что мы можем ожидать только одну закономерность: постепенное снижение уровня темной материи по мере удаления от галактического ядра. Прогнозы объектива, основанные на этом распределении, не соответствуют реальным данным о том, где изображение появляется на объективе объектива.

Задача состоит в том, чтобы выполнить тот же анализ на основе хаотической интерференционной картины: дважды запустить модель с разными начальными условиями, и вы получите другую интерференционную картину. Таким образом, шансы на то, что люди в реальных галактиках будут делать линзы, довольно малы. Вместо этого исследовательская группа запустила 75 различных моделей со случайно выбранными начальными условиями. Между прочим, я сделал некоторые из этих искажений похожими на те, что видны в реальных данных, обычно затрагивая только одно из четырех изображений с объективом. Поэтому исследователи пришли к выводу, что искажение двояковыпуклого изображения согласуется с ореолом темной материи, образованным квантовой интерференцией аксионов.

Так они действительно аксионы?

Анализ одной галактики не был бы критическим ударом во всех отношениях, и здесь есть все основания быть особенно осторожным. Например, исследователи сделали несколько предположений о распределении обычного и видимого вещества в галактиках, которые также имеют гравитационное влияние. Считается, что эллиптические галактики являются результатом слияния галактик меньшего размера, которые могут влиять на распределение темной материи тонкими способами, которые трудно обнаружить, отслеживая нормальное распределение материи.

Наконец, этот вид схемы перекрытия работает только для очень легких фитилей – порядка 10^-22 электронвольт. Напротив, масса самого электрона составляет около 500 000 электрон-вольт. Это сделало бы аксионы намного легче нейтрино.

Сами авторы новой статьи по большей части осторожно относятся к доказательствам здесь, завершая свою статью предложением: «Укажите, является ли [WIMP- or axion-based dark matter] Лучшее воспроизведение астрофизических наблюдений склонило бы чашу весов в пользу одной из двух схожих категорий новых физических теорий. Но их осторожность не оправдалась в последнем предложении резюме, где они написали «Способность». [axion-based dark matter] Разрешение аномалии линзы даже в таком сложном случае, как HS 0810+2554, вместе с ее успехом в воспроизведении других астрофизических наблюдений, склоняет чашу весов в сторону новой оси физики. “

Мы скоро увидим, без сомнения, разделяют ли физики эти чувства помимо авторов статьи и рецензентов.

Alam Astronomers, 2023. DOI: 10.1038/с41550-023-01943-9 (о DOI).