Geen WIMPS! Zware deeltjes verklaren geen lenticulaire zwaartekrachtafwijkingen – Ars Technica

Tientallen jaren nadat duidelijk is dat het zichtbare universum is gebouwd op een raamwerk van donkere materie, weten we nog steeds niet wat donkere materie eigenlijk is. Op grote schaal wijst een verscheidenheid aan bewijzen op zogenaamde WIMP’s: zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes. Maar er zijn verschillende details die moeilijk uit te leggen zijn met WIMP’s, en tientallen jaren zoeken naar de deeltjes leverde niets op, waardoor mensen openstonden voor het idee dat iets anders dan een WIMP van donkere materie is gemaakt.

Een van de vele kandidaten is iets dat een axion wordt genoemd, een krachtdragend deeltje dat is voorgesteld om een ​​probleem op te lossen in een niet-gerelateerd gebied van de natuurkunde. Ze zijn veel lichter dan WIMP’s, maar hebben andere eigenschappen die consistent zijn met donkere materie, waardoor er weinig belangstelling voor is gebleven. Nu stelt een nieuw artikel dat er kenmerken zijn in zwaartekrachtlenzen (grotendeels een product van donkere materie) die mogelijk beter kunnen worden verklaard door axionachtige eigenschappen.

deeltje of golf?

Wat is een axion? Op het eenvoudigste niveau is het een heel licht deeltje zonder spin en werkt het als een krachtdrager. Ze werden oorspronkelijk voorgesteld om ervoor te zorgen dat kwantumchromodynamica, die het gedrag beschrijft van de sterke kracht die protonen en neutronen aan elkaar bindt, het behoud van ladingpariteit niet verbreekt. Er is genoeg werk verzet om ervoor te zorgen dat assen compatibel zijn met andere theoretische kaders, en er is wat onderzoek gedaan om ze te achterhalen. Maar axions zijn grotendeels verzwakt als een van de vele mogelijke oplossingen voor een probleem waarvan we nog niet weten hoe we het moeten oplossen.

Ze hebben echter enige belangstelling gewekt als mogelijke oplossingen voor donkere materie. Maar het gedrag van donkere materie kan het beste worden verklaard door een zwaar deeltje – met name een zwak interagerend massief deeltje. Verwacht werd dat de axions aan de lichtere kant zouden zijn en zo licht zouden kunnen zijn als bijna massaloze neutrino’s. Zoekopdrachten op axions hebben de neiging om ook veel zware massa’s uit te sluiten, wat het probleem nog duidelijker maakt.

Maar de axions kunnen weer verschijnen, of in ieder geval stationair blijven terwijl de WIMP’s faceplant. Er zijn een aantal detectoren gebouwd om te proberen indicatoren van zwakke interacties voor WIMP’s te identificeren, en ze kwamen leeg. Als WIMP’s standaardmodeldeeltjes zijn, kunnen we hun bestaan ​​afleiden op basis van de massa die verloren gaat in deeltjesversnellers. Hiervan is geen bewijs geleverd. Dit heeft ertoe geleid dat mensen heroverwegen of WIMP’s de beste oplossing zijn voor donkere materie.

Op kosmische schaal blijven WIMP’s heel goed bij de gegevens passen. Maar als je eenmaal op het niveau van individuele sterrenstelsels komt, zijn er enkele anomalieën die niet goed werken, tenzij de halo van donkere materie die een melkwegstelsel omringt een complexe structuur heeft. Soortgelijke dingen klinken waar als je de donkere materie van individuele sterrenstelsels in kaart probeert te brengen op basis van het vermogen ervan om een ​​zwaartekrachtlens te creëren die de ruimte vervormt, zodat deze achtergrondobjecten vergroot en vervormt.

Het nieuwe werk probeert deze potentiële anomalieën te relateren aan het verschil tussen de eigenschappen van WIMPS en axions. Zoals de naam al doet vermoeden, moeten WIMP’s zich gedragen als afzonderlijke deeltjes, die bijna volledig op elkaar inwerken door zwaartekracht. Axionen daarentegen moeten met elkaar interageren door kwantuminterferentie, waardoor golfachtige patronen in hun frequentie door de melkweg ontstaan. Dus terwijl de frequentie van WIMP’s zachtjes zou moeten afnemen met de afstand tot de galactische kern, zouden de axions een staande golf moeten vormen (technisch gezien een soliton) die hun frequentie in de buurt van de galactische kern verhoogt. Afgezien hiervan zouden complexe interferentiepatronen gebieden moeten creëren waar assen in wezen afwezig zijn en andere gebieden waar ze aanwezig zijn met tweemaal de gemiddelde intensiteit.

Moeilijk te vinden

Op een paar mogelijke uitzonderingen na vormt donkere materie het grootste deel van de massa van een sterrenstelsel. Gegeven dit, moeten deze interferentiepatronen ervoor zorgen dat de zwaartekracht van verschillende delen van de melkweg ongelijk is. Als de verschillen tussen regio’s groot genoeg zijn, zal dit zich waarschijnlijk manifesteren als kleine afwijkingen in het verwachte gedrag van zwaartekrachtlenzen. Daarom moeten objecten achter de melkweg nog steeds verschijnen als lenticulaire afbeeldingen; Het is mogelijk niet gevormd zoals we het verwachten of precies op de locatie die we verwachten.

Modellering geeft aan dat deze aberraties zo klein zijn dat zelfs de Hubble-ruimtetelescoop ze niet heeft kunnen vastleggen. Maar het is mogelijk om ze op radiogolflengten te detecteren door gegevens van ver uit elkaar geplaatste radiotelescopen samen te voegen tot wat in wezen één gigantische telescoop is. (Door deze benadering kon de Event Horizon Telescope een afbeelding van een zwart gat maken.)

En in ten minste één geval hebben we die gegevens. HS 0810+2554 is een enorm elliptisch sterrenstelsel dat tussen ons en een actief zwart gat in het hart van een ander sterrenstelsel ligt. Zwaartekrachtlensing gecreëerd door het voorgrondstelsel creëert vier afbeeldingen van het actieve sterrenstelsel, elk met een heldere galactische kern en twee grote materiaalstralen die eruit steken. Het is mogelijk om de locatie en vervorming van deze vier afbeeldingen te vergelijken met wat we zouden verwachten op basis van de aanwezigheid van een typische halo van donkere materie in het voorgrondstelsel.

Het is relatief eenvoudig om met WIMP’s te doen, aangezien er maar één patroon is dat we zouden verwachten: een geleidelijke daling van de niveaus van donkere materie naarmate je verder weggaat van de galactische kern. Lensvoorspellingen op basis van deze verdeling zijn slecht in het matchen van gegevens uit de echte wereld over waar beelden verschijnen voor lenslenzen.

De uitdaging is om dezelfde analyse uit te voeren op basis van de interferentiepatronen van chaotische axions: voer het model twee keer uit met verschillende beginvoorwaarden, en je krijgt een ander interferentiepatroon. Dus de kans om degenen in de echte wereldmelkweg daadwerkelijk de lenzen te laten doen, is vrij klein. In plaats daarvan voerde het onderzoeksteam 75 verschillende modellen uit met willekeurig gekozen beginvoorwaarden. Per ongeluk heb ik enkele van deze vervormingen gecreëerd, vergelijkbaar met die in gegevens uit de echte wereld, waarbij meestal slechts één van de vier afbeeldingen met een lens wordt beïnvloed. Daarom concludeerden de onderzoekers dat de vervormingen in de lenticulaire beelden consistent zijn met een halo van donkere materie die wordt gevormd door kwantuminterferentie van axionen.

Dus, zijn het echt axions?

Het analyseren van een enkel melkwegstelsel zal nergens een kritische prik in zijn, en er zijn genoeg redenen om hier voorzichtiger te zijn. Zo hebben onderzoekers enkele aannames gedaan over de verdeling van gewone en zichtbare materie in de melkweg, die ook invloed heeft op de zwaartekracht. Er wordt aangenomen dat elliptische sterrenstelsels het resultaat zijn van fusies van kleinere sterrenstelsels, die de verdeling van donkere materie kunnen beïnvloeden op subtiele manieren die moeilijk te detecteren zijn door de verdeling van normale materie te volgen.

Ten slotte werkt dit soort overlappend patroon alleen voor ongewoon lichte assen – in de orde van grootte van 10^-22 elektron volt. Daarentegen is de massa van het elektron zelf ongeveer 500.000 elektronvolt. Dit zou axions veel lichter maken dan zelfs neutrino’s.

De auteurs van het nieuwe artikel zelf zijn meestal voorzichtig met het bewijs hier, en besluiten hun artikel met de zin: “Bepaal of [WIMP- or axion-based dark matter] Het beter reproduceren van de astrofysische waarnemingen zou de balans doen overhellen naar een van de twee vergelijkbare theorieën van de nieuwe natuurkunde. Maar hun voorzichtigheid ontbreekt in de laatste zin van de samenvatting, waar ze schrijven: ‘Ability’. [axion-based dark matter] De resolutie van lensafwijkingen, zelfs in uitdagende gevallen zoals HS 0810+2554, samen met het succes ervan bij het reproduceren van andere astrofysische waarnemingen, doet de balans kantelen naar nieuwe natuurkundige assen. “

We zullen ongetwijfeld binnenkort zien of natuurkundigen deze gevoelens delen buiten de auteurs en peer reviewers van dit artikel.

Natuurlijke astronomie, 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (over DOI’s).