Z czego wykonana jest ciemna materia? To jedno z najbardziej kłopotliwych pytań współczesnej astronomii. Wiemy, że ciemna materia istnieje, ponieważ widzimy jej oczywisty wpływ grawitacyjny na wszystko, od galaktyk po ewolucję całego wszechświata, ale nie wiemy, co to jest jest. Domyślamy się, że jest to jakaś dziwna nowa cząstka, która nie lubi zbyt często rozmawiać z normalną materią (inaczej byśmy to widzieli). Jedną z możliwości jest to, że jest to egzotyczna hipotetyczna cząsteczka znana jako axion, a zespół astronomów używa tylko czarnych dziur, aby rzucić okiem na ten dziwny nowy kosmiczny stwór.
Agenda Axion
Będę z tobą szczery, nie wiemy, czy istnieją osie. Zostały wymyślone, aby wyjaśnić zagadkę fizyki wysokich energii. W przyrodzie istnieje pewna symetria, w której jeśli weźmiesz jakąś losową interakcję z udziałem wielu cząstek subatomowych i wyłączysz ładunki elektryczne wszystkich osób dla przeciwnego znaku, a także uruchomisz proces w lustrze, uzyskasz dokładnie ten sam wynik. Jest to znane jako symetria ładunku i parzystości lub w skrócie symetria CP.
Ta symetria zachowuje się wszędzie w naturze, z wyjątkiem sytuacji, gdy jej nie ma, jak w przypadku słabej siły jądrowej, która może naruszać tę symetrię, kiedy tylko ma na to ochotę.
Problem polega na tym, że silna siła nuklearna z pewnością powinna to naruszać. W matematyce są terminy, które w oczywisty sposób łamią symetrię CP, a jednak nie widzimy żadnych oznak symetrii zrywającej się z silną siłą jądrową w żadnym z naszych eksperymentów. Musi więc coś dziać, aby przywrócić tę symetrię, kiedy należy ją złamać.
Odpowiedź - lub przynajmniej jedna potencjalna odpowiedź - jest nowym rodzajem cząstki zwanej axion. Axion przywraca pewną równowagę w sile (tak, jestem świadomy odniesienia do Gwiezdnych Wojen tutaj), dzięki czemu zachowana jest symetria CP i każdy może zająć się swoim codziennym życiem. Oczywiście dotychczasowe eksperymenty nie ujawniły bezpośrednio istnienia osi, a istnieje szereg możliwych mas i właściwości, które może mieć osi.
W tym zakresie możliwych dopuszczalnych mas i właściwości osi występuje coś niezwykłego. Jeśli chcemy wypełnić wszechświat ciemną materią, ta ciemna materia musi mieć pewne właściwości. Nie może zbyt często wchodzić w interakcje z normalną materią, a także nie może często wchodzić w interakcje ze sobą. Ponadto musi być go dużo i musi być bardzo stabilny i długowieczny. Okazuje się, że niektóre z możliwych właściwości osiowych pozwalają tej hipotetycznej cząstce kandydować do ciemnej materii.
The Dark Axions
Jeśli pozwolimy, aby axion był ciemną materią, może ona ogólnie wyjaśnić wszystkie zwykłe obserwacje ciemnej materii. Może wyjaśnić krzywe rotacji wewnątrz galaktyk. Może wyjaśnić ruchy galaktyk w gromadach galaktyk. Może być wytwarzany w wystarczającej ilości we wczesnym Wszechświecie, aby pasował do obserwacji kosmicznego tła mikrofalowego. I tak dalej.
Co więcej, osie w rdzeniach galaktyk mogą łączyć się ze sobą wystarczająco ciasno, aby utworzyć pojedynczą masywną kulę, która początkowo rumieni się podobnie do supermasywnej czarnej dziury. Byłby mały, nie wchodziłby w interakcje ze światłem i byłby niesamowicie masywny. Chociaż ostatnie obserwacje z Event Horizon Telescope dały nam dosłowny obraz gigantycznej czarnej dziury w innej galaktyce, nie oznacza to koniecznie wykluczenia, że te rdzenie osiowe wciąż czają się w głębinach galaktyk we Wszechświecie. I dzięki tym możliwym rdzeniom osi możemy być w stanie uzyskać kontrolę nad ich właściwościami.
Czarne dziury są kluczem
Oprócz Event Horizon Telescope nie mamy bezpośrednich obserwacji supermasywnych czarnych dziur. Widzimy tylko wirujący i kipiący materiał. A na podstawie właściwości tego materiału możemy oszacować rozmiar i masę czarnych dziur. Dzięki tym technikom odkryliśmy przez dziesięciolecia bardzo dziwny związek: bardziej masywne galaktyki zawierają więcej masywnych czarnych dziur w swoich centrach. Ta relacja jest w rzeczywistości stosunkowo ścisła i mówi nam, że czarne dziury ewoluowały w jakiś sposób z ich galaktykami-gospodarzami.
Ale jak powiedziałem, nie możemy bezpośrednio obserwować czarnych dziur. Więc mogą wcale nie być czarnymi dziurami. Mogą to być rdzenie osiowe ukrywające się w centrach tych galaktyk. Jeśli tak jest, to nie jest tak, że czarne dziury ewoluowały razem z ich galaktykami-gospodarzami, ale że rdzenie osiowe ewoluowały razem z ich galaktykami-gospodarzami. Im większa galaktyka, tym więcej ciemnej materii aksjonu może pomieścić, i większy rdzeń aksionu w centrum.
Oznacza to, że możemy użyć relacji między centralnym ciemnym obiektem (niezależnie od tego, czy jest to czarna dziura, czy rdzeń osi), a samą galaktyką, aby ograniczyć właściwości osi. Działa to, ponieważ jeśli zaczniesz grać z masą cząsteczki osiowej, wpływa to na to, jak łatwo możesz zlepić się, aby utworzyć rdzeń, co zmieni związek z galaktyką gospodarza.
Zespół astronomów niedawno wykorzystał związek między czarnymi dziurami i galaktykami, aby dokładnie to zrobić, i był w stanie nałożyć pewne górne ograniczenia na masę cząsteczek osiowych, co pomoże pokierować przyszłymi eksperymentami i bezpośrednimi poszukiwaniami. Czy axion jest odpowiedzialny za ciemną materię we wszechświecie? Mam nadzieję, że kiedyś uda nam się rzucić nieco światła na tę sytuację.
Czytaj więcej: „Rdzeń Axion - masa halo i stosunek czarnej dziury do masy halo: ograniczenia na kilku skalach parsek”
