Темная материя состоит из аксионов? — Ответ в глубинах черных дыр

Из чего состоит темная материя? Это один из самых сложных вопросов современной астрономии. Мы знаем, что темная материя существует, поскольку мы можем видеть ее очевидное гравитационное влияние на все, от галактик до эволюции всей Вселенной, но мы не знаем, что это такое.

Лучшее предположение состоит в том, что это какая-то странная новая частица, которая не любит «разговаривать» с нормальной материей (в противном случае, мы бы ее видели). Одно предположение состоит в том, что это экзотическая гипотетическая разновидность частиц, известная как аксион. Чтобы узнать, что же это такое, команда астрономов сосредоточила свои усилия на изучении черных дыр.

Таинственный аксион

Я буду честен с вами — мы не знаем, существуют ли аксионы. Они были придуманы для того, чтобы объяснить загадку в физике высоких энергий. В природе существует определенный тип симметрии, в котором переключение электрических зарядов всех частиц при случайном взаимодействии и запуск зеркального процесса дает точно такой же результат. Это известно как симметрия заряда и четности, или сокращенно CP-симметрия.

Эта симметрия сохраняется повсюду в природе, за исключением случаев, когда это не так. Имеется ввиду слабая ядерная сила, которая способна нарушать эту симметрию всякий раз, когда ей это нравится.

Загадка состоит в том, что сильные ядерные силы по всем правилам также должны это нарушать. В математике есть термины, которые совершенно очевидно нарушают СР-симметрию, и все же мы не видим никаких признаков нарушения симметрии с сильной ядерной силой ни в одном из наших экспериментов. Итак, что-то должно происходить, чтобы восстановить эту симметрию, когда она должна нарушиться.

Ответ (или, по крайней мере, один из потенциальных ответов) это новый тип частиц, называемый аксион. Аксион восстанавливает определенный вид баланса в силе (да, здесь я ссылаюсь на «Звездные войны»), так что CP-симметрия сохраняется, и каждый может заниматься своей повседневной жизнью. Конечно, эксперименты, проведенные до настоящего времени, пока не выявили существование аксиона, и существует целый ряд возможных масс и свойств, которые может иметь аксион.

В этом диапазоне возможных допустимых масс и свойств аксиона происходит нечто замечательное. Если мы хотим наполнить Вселенную темной материей, эта темная материя должна обладать определенными свойствами. Она не может взаимодействовать с нормальной материей очень часто и даже не может взаимодействовать очень часто с самой собой. Кроме того, ее должно быть много, и она должна быть очень стабильной и долговечной. Оказывается, что некоторые из диапазона возможных аксионных свойств делают эту гипотетическую частицу кандидатом на темную материю.

Темные аксионы

Если мы считаем аксион темной материей, он обычно может объяснить все обычные наблюдения темной материи. Это может объяснить кривые вращения внутри галактик. Это может объяснить движение галактик в скоплениях галактик. Возможно, он был сформирован в достаточном количестве в период ранней Вселенной, что позволяет ему соответствовать наблюдениям космического микроволнового фона.

Более того, аксионы в ядрах галактик могут связываться друг с другом достаточно плотно и образовать единый массивный шар, который на первый взгляд будет очень похож на сверхмассивную черную дыру. Он будет маленьким, не будет взаимодействовать со светом и будет невероятно массивным. Не смотря на то, что недавние наблюдения с помощью телескопа «Горизонт событий» дали нам буквальную картину гигантской черной дыры в другой галактике, это не обязательно исключает, что эти ядра аксионов все еще скрываются в глубинах галактик по всей Вселенной. Именно с этими возможными осевыми ядрами мы могли бы иметь дело, зная их свойства.

Черные дыры — ключ к разгадке

Помимо данных телескопа «Горизонт событий» у нас нет прямых наблюдений сверхмассивных черных дыр. Мы можем видеть только материал, который кружится и кипит вокруг них. И по свойствам этого материала мы можем оценить размер и массу черных дыр. Используя эти методы, мы обнаружили очень странные отношения в течение десятилетий наблюдений: более массивные галактики содержат более массивные черные дыры в своих центрах. Эти отношения на самом деле относительно часто встречаются и говорят нам о том, что черные дыры так или иначе сосуществуют с принимающими их галактиками.

Но, как я уже сказал, мы не можем наблюдать черные дыры напрямую. Возможно это и не черные дыры вовсе. Это могут быть ядра аксионов, прячущиеся в центрах этих галактик. Если это так, то дело не в том, что черные дыры совместно эволюционировали с их галактиками-хозяевами, а в том, что ядра аксионов совместно развивались вместе с их галактиками-хозяевами. Чем больше галактика, тем больше аксионной темной материи она может содержать и тем больше ядро аксиона в центре.

Это означает, что мы можем использовать отношения между центральным темным объектом (будь то черная дыра или ядро аксиона) и самой галактикой для того, чтобы ограничить свойства аксионов. И это действительно так, потому что если вы начинаете изменять массу частиц аксиона, то это влияет на то, насколько легко аксионы могут скапливаться, образуя ядро, что меняет отношение к галактике-хозяину.

Команда астрономов использовала связь между черными дырами и галактиками, чтобы сделать практически невозможное, а именно они смогли установить некоторые верхние пределы для массы частиц аксиона, которые смогут быть использованы в будущих экспериментах и поисковых миссиях. Отвечает ли аксион за темную материю во Вселенной? Надеемся, что когда-нибудь мы сможем пролить свет на данный вопрос.

Источник: Phys 
Автор: Paul M. Sutter, Universe Today 

Редакция и перевод: Колупаев Дмитрий