Новое исследование колец Эйнштейна говорит, что темная материя ведет себя скорее как волна, а не как частица

Физики считают, что большая часть материи во Вселенной состоит из невидимого вещества, о котором мы знаем только по его косвенному влиянию на звезды и галактики, которые мы можем видеть.

Мы не сумасшедшие! Без этой «темной материи» Вселенная, какой мы ее видим, не имела бы смысла.

Но природа темной материи — давняя загадка. Однако новое исследование Альфреда Амрута из Университета Гонконга и его коллег, опубликованное в журнале Nature Astronomy, использует гравитационное искривление света, чтобы приблизить нас к пониманию.

Невидимая, но вездесущая

Причина, по которой мы думаем, что темная материя существует, заключается в том, что мы можем видеть эффекты ее гравитации в поведении галактик. В частности, темная материя, по-видимому, составляет около 85 процентов массы Вселенной, и большинство далеких галактик, которые мы видим, окружены ореолом загадочного вещества.

Но темной материей она называется потому, что он не испускает свет, не поглощает и не отражает его, что делает его невероятно трудным для обнаружения.

Так что же это за вещество? Мы думаем, что это должна быть какая-то неизвестная фундаментальная частица, но в остальном мы не уверены. До сих пор все попытки обнаружить частицы темной материи в лабораторных экспериментах потерпели неудачу, и физики десятилетиями спорили о ее природе.

Ученые предложили двух основных гипотетических кандидатов на роль темной материи: относительно тяжелые частицы, называемые слабо взаимодействующими массивными частицами. частицы (или вимпы) и чрезвычайно легкие частицы, называемые аксионами.

Теоретически вимпы будут вести себя как дискретные частицы, а аксионы будут вести себя гораздо больше как волны из-за квантовой интерференции.

Было трудно различить эти две возможности, но теперь свет, изгибающийся вокруг далеких галактик, дал ключ к разгадке.

Гравитационное линзирование и кольца Эйнштейна

Когда свет, проходящий через Вселенную, проходит массивного объекта, такого как галактика, его траектория изогнута, потому что, согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, гравитация массивного объекта искажает пространство и время вокруг себя.

В результате иногда, когда мы смотрим в далекой галактике мы можем видеть искаженные изображения других галактик позади нее. И если все выровняется идеально, свет от фоновой галактики будет размыт в виде круга вокруг более близкой галактики.

Это искажение света называется «гравитационным линзированием», и круги, которые оно может создать, называются «кольцами Эйнштейна».

Изучая, как искажаются кольца или другие линзовые изображения, астрономы могут узнать о свойствах гало темной материи, окружающего более близкую галактику.

Аксионы против аксионов WIMPs

И это именно то, что Амрут и его команда сделали в своем новом исследовании. Они изучили несколько систем, в которых несколько копий одного и того же фонового объекта были видны вокруг линзирующей галактики на переднем плане, уделив особое внимание галактике под названием HS 0810+2554.

Используя детальное моделирование, они выяснили, как изображения были бы искажены, если бы темная материя состояла из вимпов, по сравнению с тем, как они были бы искажены, если бы темная материя состояла из аксионов. Модель WIMP не очень походила на настоящую, но модель аксиона точно воспроизводила все функции системы.

Результат предполагает, что аксионы являются более вероятным кандидатом на роль темной материи, а их способность объяснять аномалии линзирования и другие астрофизические наблюдения вызывают у ученых волнение.

Частицы и галактики

Новое исследование основано на предыдущих исследованиях, которые также указывали на аксионы как на более вероятную форму темной материи.

Например, одно В исследовании изучалось влияние аксионной темной материи на космическое микроволновое излучение, а в другом изучалось поведение темной материи в карликовых галактиках.

Хотя это исследование еще не положило конец научным спорам о природе темной дело в том, что она открывает новые возможности для испытаний и экспериментов. Например, будущие наблюдения гравитационного линзирования можно будет использовать для исследования волнообразной природы аксионов и потенциального измерения их массы.

Лучшее понимание темной материи будет иметь последствия для того, что мы знаем о физике элементарных частиц и Ранняя Вселенная. Это также может помочь нам лучше понять, как формируются и меняются галактики с течением времени.

Россана Руджери, научный сотрудник в области космологии, Университет Квинсленда

Эта статья переиздается из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.