Nowe spojrzenie na „pierścienie Einsteina” wokół odległych galaktyk zbliżyło nas do rozwiązania debaty na temat ciemnej materii

Fizycy uważają, że większość materii we wszechświecie składa się z niewidzialnej materii, o której wiemy tylko dzięki jej pośredniemu wpływowi na gwiazdy i galaktyki, które możemy zobaczyć.

Nie jesteśmy szaleni! Bez tej „ciemnej materii” wszechświat, jaki widzimy, nie miałby żadnego znaczenia.

Ale natura ciemnej materii jest starożytną tajemnicą. Ale, Nowe badanie Napisane przez Alfreda Amrotha z University of Hong Kong i współpracowników, opublikowane w astronomia naturalnawykorzystuje grawitacyjne zakrzywienie światła, aby przybliżyć nas o krok do zrozumienia.

Niewidzialny, ale wszechobecny

Powodem, dla którego uważamy, że ciemna materia istnieje, jest to, że możemy zobaczyć jej wpływ grawitacyjny na zachowanie galaktyk. W szczególności wydaje się, że ciemna materia stanowi około 85% masy Wszechświata, a większość odległych galaktyk, które widzimy, wydaje się być otoczona halo tajemniczej materii.

Ale nazywana jest ciemną materią, ponieważ nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła, co bardzo utrudnia jej wykrycie.

Czym więc są te rzeczy? Sądzimy, że to musi być jakaś nieznana cząstka elementarna, ale nie jesteśmy jeszcze pewni. Jak dotąd wszelkie próby wykrycia cząstek ciemnej materii w eksperymentach laboratoryjnych zakończyły się niepowodzeniem, a fizycy od dziesięcioleci debatują nad ich naturą.

Naukowcy zaproponowali dwóch głównych hipotetycznych kandydatów na ciemną materię: stosunkowo ciężkie postacie zwane słabo oddziałującymi masywnymi cząstkami (lub WIMP) oraz niezwykle lekkie cząstki zwane osiami. Teoretycznie WIMP zachowują się jak dyskretne cząstki, podczas gdy aksjony zachowują się jak fale z powodu interferencji kwantowej.

Trudno było rozróżnić te dwie możliwości – ale niewielki objazd wokół odległych galaktyk dostarczył wskazówki.

Soczewkowanie grawitacyjne i pierścienie Einsteina

Kiedy światło przechodzi przez wszechświat przez masywny obiekt, taki jak galaktyka, jego ścieżka jest zakrzywiona, ponieważ – zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina – grawitacja masywnego obiektu zniekształca przestrzeń i czas wokół niego.

W rezultacie czasami, gdy patrzymy na odległą galaktykę, widzimy za nią zniekształcone obrazy innych galaktyk. A jeśli wszystko idealnie się ułoży, światło z galaktyki tła będzie krążyć wokół najbliższej galaktyki.

To zniekształcenie światła nazywane jest „soczewkowaniem grawitacyjnym”, a kręgi, które może tworzyć, nazywane są „pętlami Einsteina”.

Badając zniekształcenia pierścieni lub innych obrazów soczewkowych, astronomowie mogą dowiedzieć się o właściwościach halo ciemnej materii otaczającej najbliższą galaktykę.

Axions kontra WIMP

I to właśnie zrobił Amroth i jego zespół w swoim nowym badaniu. Przyjrzeli się kilku systemom, w których wiele kopii tego samego obiektu było widocznych w tle wokół galaktyki soczewkującej na pierwszym planie, ze szczególnym uwzględnieniem układu o nazwie HS 0810+2554.

Korzystając ze szczegółowego modelowania, ustalili, jak zniekształciłyby się obrazy, gdyby ciemna materia była zbudowana z WIMP-ów, a jak by to było, gdyby ciemna materia była złożona z aksjonów. Model WIMP nie wyglądał zbyt podobnie do rzeczywistego, ale model axion dokładnie odwzorowywał wszystkie funkcje systemu.

Odkrycie wskazuje, że aksjony są bardziej prawdopodobnym kandydatem na ciemną materię, a ich zdolność do wyjaśniania anomalii soczewkowania i innych obserwacji astrofizycznych irytuje naukowców.

cząstki i galaktyki

Nowe badania opierają się na wcześniejszych badaniach, które również wskazywały, że aksjony są najbardziej prawdopodobną formą ciemnej materii. Na przykład, jedno badanie przyjrzał się wpływowi ciemnej materii aksjonowej na kosmiczne mikrofalowe tło, podczas gdy ostatni Badanie zachowania ciemnej materii w galaktykach karłowatych.

Chociaż badania te nie zakończą naukowej debaty na temat natury ciemnej materii, otwierają nowe możliwości testowania i eksperymentowania. Na przykład przyszłe obserwacje soczewkowania grawitacyjnego mogłyby zostać wykorzystane do zbadania falowej natury aksonów i prawdopodobnie do zmierzenia ich masy.

Lepsze zrozumienie ciemnej materii będzie miało wpływ na to, co wiemy o fizyce cząstek elementarnych i wczesnym wszechświecie. Może również pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób galaktyki tworzą się i zmieniają w czasie.