Никаких слабаков! Тяжелые частицы не объясняют линзовидные гравитационные аномалии — Ars Technica

Спустя десятилетия после того, как стало ясно, что видимая Вселенная построена на основе темной материи, мы все еще не знаем, что такое темная материя на самом деле. В больших масштабах множество свидетельств указывает на так называемые вимпы: слабо взаимодействующие массивные частицы. Но есть множество деталей, которые трудно объяснить с помощью вимпов, и десятилетия поисков частиц ничего не дали, оставив людей открытыми для идеи, что что-то другое, чем вимпы, состоит из темной материи.

Одним из многих кандидатов является то, что называется аксионом, несущей силу частицей, которая была предложена для решения проблемы в несвязанной области физики. Они намного легче вимпов, но обладают другими свойствами, соответствующими темной материи, из-за чего интерес к ним остается низким. Теперь в новой статье утверждается, что в гравитационном линзировании (в основном продукте темной материи) есть особенности, которые можно лучше объяснить аксионоподобными свойствами.

Частица или волна?

Итак, что такое аксион? На самом простом уровне это очень легкая частица без вращения, действующая как носитель силы. Первоначально они были предложены для того, чтобы квантовая хромодинамика, описывающая поведение сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны, не нарушала закон сохранения четности заряда. Было проделано достаточно работы, чтобы убедиться, что оси совместимы с другими теоретическими основами, и были проведены некоторые исследования, чтобы попытаться их понять. Но аксионы в основном ослабли как одно из возможных решений проблемы, которую мы еще не придумали, как решить.

Тем не менее, они вызвали некоторый интерес как потенциальные решения темной материи. Но поведение темной материи лучше всего объясняется тяжелой частицей, особенно массивной слабо взаимодействующей частицей. Ожидалось, что аксионы будут более легкими и могут быть такими же легкими, как почти безмассовые нейтрино. Поиски по аксионам, как правило, также исключают многие тяжелые массы, что делает проблему еще более очевидной.

Но аксионы могут снова появиться или, по крайней мере, оставаться неподвижными, пока вимпы приземляются лицом к лицу. Было создано несколько детекторов, пытающихся определить индикаторы слабых взаимодействий для вимпов, но они оказались пустыми. Если вимпы являются частицами Стандартной модели, мы можем сделать вывод об их существовании на основании массы, потерянной в коллайдерах частиц. Никаких доказательств этого не было представлено. Это заставило людей задуматься о том, являются ли вимпы лучшим решением проблемы темной материи.

В космических масштабах вимпы продолжают очень хорошо соответствовать данным. Но как только вы доберетесь до уровней отдельных галактик, обнаружатся некоторые аномалии, которые не работают хорошо, если ореол темной материи, окружающий галактику, не имеет сложной структуры. Подобные вещи звучат правдоподобно, когда вы пытаетесь нанести на карту темную материю отдельных галактик, основываясь на ее способности создавать гравитационную линзу, которая искажает пространство, увеличивая и искажая фоновые объекты.

В новой работе делается попытка связать эти потенциальные аномалии с разницей между свойствами WIMPS и аксионов. Как следует из названия, вимпы должны вести себя как дискретные частицы, взаимодействующие почти исключительно за счет гравитации. Напротив, аксионы должны взаимодействовать друг с другом через квантовую интерференцию, которая создает волнообразные паттерны их частот по всей галактике. Таким образом, в то время как частота вимпов должна плавно уменьшаться по мере удаления от галактического ядра, аксионы должны формировать стоячую волну (технически солитон), которая повышает их частоту вблизи галактического ядра. Помимо этого, сложные интерференционные картины должны создавать области, где оси практически отсутствуют, и другие области, где они присутствуют с удвоенной средней интенсивностью.

Трудно найти

За некоторыми возможными исключениями, темная материя составляет большую часть массы галактики. Учитывая это, эти интерференционные картины должны вызывать неравномерность гравитационного притяжения из разных регионов галактики. Если различия между областями достаточно велики, это, вероятно, проявится в виде небольших отклонений в ожидаемом поведении гравитационного линзирования. Следовательно, объекты позади галактики должны по-прежнему выглядеть как линзообразные изображения; Он может быть сформирован не так, как мы ожидаем, или точно в том месте, где мы ожидаем.

Моделирование показывает, что эти аберрации настолько малы, что даже космический телескоп Хаббла не смог их зафиксировать. Но, возможно, их удастся обнаружить на радиоволнах, объединив данные с далеко разнесенных радиотелескопов в то, что по сути является одним гигантским телескопом. (Этот подход позволил телескопу Event Horizon создать изображение черной дыры.)

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 на переднем плане, создает четыре изображения активной галактики, каждое из которых имеет яркое галактическое ядро ​​и две большие струи вещества, исходящие от него. Можно сравнить расположение и искажение этих четырех изображений с тем, что мы ожидаем, исходя из присутствия типичного гало темной материи в галактике переднего плана.

Это относительно просто сделать с вимпами, поскольку мы ожидаем только одного паттерна: постепенное падение уровня темной материи по мере удаления от галактического ядра. Прогнозы линз, основанные на этом распределении, плохо справляются с сопоставлением реальных данных о том, где изображения появляются на линзах линз.

Задача состоит в том, чтобы выполнить тот же анализ на основе интерференционных картин хаотических аксионов: дважды запустить модель с разными начальными условиями, и вы получите другую интерференционную картину. Так что шансы на то, что линзы будут делать те, кто находится в реальной галактике, довольно малы. Вместо этого исследовательская группа запустила 75 различных моделей со случайным выбором начальных условий. Случайно я создал некоторые из этих искажений, похожих на те, что видны в реальных данных, обычно влияющих только на одно из четырех изображений с объективом. Поэтому исследователи пришли к выводу, что искажения линзообразных изображений согласуются с ореолом темной материи, образованным квантовой интерференцией аксионов.

Так они действительно аксионы?

Анализ одной галактики не будет критическим ударом по чему-либо, и здесь есть много причин быть особенно осторожным. Например, исследователи сделали некоторые предположения о распределении в галактике обычной и видимой материи, на которую также оказывает гравитационное влияние. Считается, что эллиптические галактики являются результатом слияния более мелких галактик, которые могут влиять на распределение темной материи тонкими способами, которые трудно обнаружить, отслеживая распределение обычной материи.

Наконец, такой шаблон перекрытия работает только для необычно легких осей — порядка 10^-22 электрон вольт. Напротив, масса самого электрона составляет около 500 000 электрон-вольт. Это сделало бы аксионы намного легче, чем даже нейтрино.

Сами авторы новой статьи в основном осторожно относятся к приведенным здесь доказательствам, завершая свою статью предложением: «Определить, [WIMP- or axion-based dark matter] Лучшее воспроизведение астрофизических наблюдений склонило бы чашу весов в сторону одного из двух схожих классов теорий новой физики. Но их осторожность проскальзывает в последнем предложении резюме, где они пишут «Способность». [axion-based dark matter] Разрешение аномалий линз даже в сложных случаях, таких как HS 0810+2554, наряду с успехом в воспроизведении других астрофизических наблюдений, склоняет чашу весов в сторону новой физики, обращающейся к осям. «

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

Астрономия природы, 2023. DOI: 10.1038/с41550-023-01943-9 (о DOI).