Er mørkt stof lavet af aksioner? Sorte huller kan afsløre svaret

Hvad er mørkt stof lavet af? Det er et af de mest forvirrende spørgsmål i moderne astronomi. Vi ved, at mørkt stof er derude, da vi kan se dens åbenlyse gravitationspåvirkning på alt fra galakser til hele universets udvikling, men vi ved ikke hvad det er. Vores bedste gæt er, at det er en slags mærkelig ny partikel, der ikke kan lide at tale med normalt stof så ofte (ellers, vi ville have set det nu). En mulighed er, at det er en eksotisk hypotetisk slags partikel kendt som en axion, og et hold af astronomer bruger ingen ringere end sorte huller til at forsøge at få et indblik i dette mærkelige nye kosmiske væsen.

Axion dagsorden

Jeg vil være ærlig over for dig, vi ved ikke, om der findes aksioner. De blev opfundet for at forklare en gåde inden for højenergifysik. Der er en vis form for symmetri i naturen, hvor udskiftning af de elektriske ladninger af alle partikler i en tilfældig vekselvirkning og at køre processen i spejlet giver nøjagtig samme resultat. Dette er kendt som ladnings- og paritetssymmetri, eller CP-symmetri for kort.

Denne symmetri gælder overalt i naturen, undtagen når det ikke gør det, som i tilfældet med den svage atomkraft, som er i stand til at overtræde denne symmetri, når det føles som det.

Gåden er, at med alle rettigheder, den stærke atomkraft burde overtræde dette, også. Der er termer i matematikken, der meget tydeligt bryder CP-symmetri, og alligevel ser vi ingen tegn på, at symmetrien bryder med den stærke kernekraft i nogen af ​​vores eksperimenter. Så der skal ske noget for at genoprette denne symmetri, når den burde brydes.

Svaret - eller i det mindste et potentielt svar - er en ny slags partikel kaldet axion. Aksionen genopretter en vis form for balance i kraften (ja jeg er klar over Star wars reference, her), så CP-symmetri bevares, og alle kan gå i deres dagligdag. Selvfølgelig, eksperimenter til dato har ikke direkte afsløret eksistensen af ​​aksionen, og der er en række mulige masser og egenskaber, som aksionen kunne have.

Inden for dette område af mulige tilladte masser og egenskaber for aksionen, der sker noget bemærkelsesværdigt. Hvis vi vil fylde universet op med mørkt stof, at mørkt stof skal have bestemte egenskaber. Det kan ikke interagere med normalt stof særlig ofte, og det kan ikke engang interagere med sig selv særlig ofte, enten. Også, der skal være meget af det, og den skal være meget stabil og lang levetid. Det viser sig, at nogle af de mulige aksionsegenskaber gør den hypotetiske partikel til en kandidat for mørkt stof.

The Dark Axions

Hvis vi betragter aksionen som mørkt stof, det kan generelt forklare alle de sædvanlige observationer af mørkt stof. Det kan forklare rotationskurverne inde i galakser. Det kan forklare galaksernes bevægelser i galaksehobe. Det kan fremstilles i tilstrækkelig overflod i det tidlige univers til at passe til observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund. Og så videre.

Hvad mere er, aksioner i galaksernes kerner kan bundte sig tæt nok sammen til at danne en enkelt massiv kugle, der i første omgang ville ligne et supermassivt sort hul. Det ville være lille, det ville ikke interagere med lys, og det ville være utroligt massivt. Mens nylige observationer fra Event Horizon Telescope gav os et bogstaveligt billede af et kæmpe sort hul i en anden galakse, det udelukker ikke nødvendigvis, at disse axionkerner stadig lurer i dybet af galakser på tværs af universet. Og det er med disse mulige axionkerner, at vi måske kan få styr på deres egenskaber.

Sorte huller er nøglen

Bortset fra Event Horizon Telescope, vi har ingen direkte observationer af supermassive sorte huller. Vi kan kun se det materiale, der hvirvler og syder omkring dem. Og ud fra egenskaberne af dette materiale, vi kan estimere størrelsen og massen af ​​de sorte huller. Med disse teknikker, vi har afsløret et meget mærkeligt forhold gennem årtierne:Flere massive galakser er vært for flere massive sorte huller i deres centre. Dette forhold er faktisk relativt tæt, og det fortæller os, at sorte huller på en eller anden måde udvikler sig sammen med deres værtsgalakser.

Men som jeg sagde, vi kan ikke observere de sorte huller direkte. Så de er måske slet ikke sorte huller. De kan være axionkerner, der gemmer sig i centrum af disse galakser. Hvis dette er tilfældet, så er det ikke, at sorte huller udviklede sig sammen med deres værtsgalakser, men at axionkerner udviklede sig sammen med deres værtsgalakser. Jo større galaksen er, jo mere axion mørkt stof det kan være vært for, og jo større er axionkernen i midten.

Det betyder, at vi kan bruge forholdet mellem det centrale mørke objekt (uanset om det er et sort hul eller en aksionskerne) og selve galaksen til at begrænse aksions egenskaber. Dette virker, fordi hvis du begynder at lege med axionpartikelmassen, det påvirker, hvor let aksioner kan klumpe sammen for at danne en kerne, som ændrer forholdet til værtsgalaksen.

Et hold af astronomer brugte for nylig forholdet mellem sorte huller og galakser til at gøre netop dette, og var i stand til at placere nogle øvre grænser for axionpartikelmassen, som vil hjælpe med at guide fremtidige eksperimenter og direkte søgninger. Er axionen ansvarlig for det mørke stof i universet? Forhåbentlig, vi kan kaste lidt lys over situationen en dag.