Из чего сделана 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 является, Наше лучшее предположение состоит в том, что это какая-то странная новая частица, которая не любит разговаривать с нормальной материей очень часто (иначе мы бы видели это сейчас). Одна возможность состоит в том, что это экзотическая гипотетическая разновидность частиц, известная как аксион, и группа астрономов использует не что иное, как черные дыры, чтобы попытаться заглянуть в этот странный новый космический зверь.
Axion Agenda
Я буду честен с вами, мы не знаем, существуют ли аксионы. Они были изобретены, чтобы объяснить загадку в физике высоких энергий. В природе существует определенный тип симметрии, когда вы берете случайное взаимодействие с участием множества субатомных частиц и выключаете все электрические заряды для противоположного знака, а также запускаете процесс в зеркале, вы получаете 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, как в случае слабой ядерной силы, которая способна нарушать эту симметрию всякий раз, когда ей хочется.
Загадка состоит в том, что сильные ядерные силы по всем правилам должны также нарушать это. В математике есть термины, которые совершенно очевидно нарушают CP-симметрию, и все же мы не видим каких-либо 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 быть нарушена.
Ответ - или, по крайней мере, один потенциальный ответ - это новый тип частиц, называемый аксион. Аксион восстанавливает определенный вид баланса в силе (да, я знаю об этом упоминании о Звездных войнах), так что CP-симметрия сохраняется, и каждый может заниматься своей повседневной жизнью. Конечно, до настоящего времени эксперименты напрямую не выявили существование аксиона, и существует целый ряд возможных масс и свойств, которые аксион может иметь.
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. Он не может взаимодействовать с нормальной материей очень часто и даже не может взаимодействовать сам с собой. Кроме того, его должно быть много, и он должен быть очень стабильным и долговечным. Оказывается, что некоторые из диапазона возможных свойств аксиона позволяют этой гипотетической частице быть кандидатом в темную материю.
Темные аксионы
Если мы допустим, чтобы аксион был темной материей, он обычно объясняет все обычные наблюдения темной материи. Это может объяснить кривые вращения внутри галактик. Это может объяснить движение галактик в скоплениях галактик. Он может быть изготовлен в достаточном количестве в ранней Вселенной, чтобы соответствовать наблюдениям космического микроволнового фона. И так далее.
Более того, аксионы в ядрах галактик могут сгущаться друг с другом достаточно плотно, чтобы 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. Хотя недавние наблюдения с телескопа «Горизонт событий» дали нам буквальную картину гигантской черной дыры в другой галактике, это не значит, что обязательно нужно исключить, что эти ядра аксионов все еще скрываются в глубинах галактик во Вселенной. И именно с этими возможными аксионными ядрами мы могли бы справиться с их свойствами.
Черные дыры - ключ
Помимо 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. С помощью этих методов за десятилетия мы обнаружили очень странные отношения: более массивные галактики содержат более массивные черные дыры в своих центрах. Эти отношения на самом деле относительно тесные, и это говорит нам о том, что черные дыры каким-то образом развивались вместе с их галактиками.
Но, как я уже сказал, мы не можем наблюдать черные дыры напрямую. Так что они могут не быть черными дырами вообще. 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 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, чтобы ограничить свойства аксионов. Это работает, потому что, если вы начнете играть с массой аксионных частиц, это будет влиять на то, насколько легко вы сможете собрать ядро, что изменит отношение к галактике-хозяину.
Команда астрономов недавно использовала связь между черными дырами и галактиками, чтобы сделать именно это, и смогла установить некоторые верхние пределы для массы частиц аксиона, которые помогут направлять будущие эксперименты и прямые поиски. Отвечает ли аксион за темную материю во вселенной? Надеюсь, когда-нибудь мы сможем пролить свет на ситуацию.
Подробнее: «Ядро аксиона - масса гало и отношение массы черной дыры - гало: ограничения в нескольких масштабах парсек»
