Hva er mørk materie laget av? Det er et av de mest forvirrende spørsmålene i moderne astronomi. Vi vet at mørk materie er der ute, siden vi kan se dens åpenbare gravitasjonspåvirkning på alt fra galakser til hele universets utvikling, men vi vet ikke hva det er er. Vår beste gjetning er at det er en slags rare nye partikler som ikke liker å snakke med normal materie veldig ofte (ellers hadde vi sett det nå). En mulighet er at det er en eksotisk hypotetisk type partikkel kjent som en aksjon, og et team av astronomer bruker ingen ringere enn svarte hull for å prøve å få et innblikk i denne merkelige nye kosmiske kritikeren.
Axion Agenda
Jeg vil være ærlig med deg, vi vet ikke om det finnes aksjoner. De ble oppfunnet for å forklare en conundrum i fysikk med høy energi. Det er en viss form for symmetri i naturen der hvis du tar en tilfeldig interaksjon som involverer masse subatomiske partikler og slår ut alles elektriske ladninger for det motsatte tegnet, og også kjører prosessen i speilet, får du nøyaktig samme resultat. Dette er kjent som ladnings- og paritetssymmetri, eller CP-symmetri for kort.
Denne symmetrien har overalt i naturen, bortsett fra når den ikke gjør det, som for den svake atomkraften, som er i stand til å krenke denne symmetrien når det føles som den.
Forholdet er at den sterke kjernefysiske styrken med alle rettigheter også skal krenke dette. Det er termer i matematikken som veldig åpenbart bryter CP-symmetri, og allikevel ser vi ingen tegn til symmetri som bryter med den sterke kjernekraften i noen av våre eksperimenter. Så det må noe til for å gjenopprette denne symmetrien når den burde brytes.
Svaret - eller i det minste ett potensielt svar - er en ny type partikkel kalt aksjonen. Aksjonen gjenoppretter en viss form for balanse i styrken (ja, jeg er klar over Star Wars-referansen her), slik at CP-symmetrien blir bevart og alle kan gjøre en hverdag. Naturligvis har eksperimenter hittil ikke direkte avslørt eksistensen av aksjonen, og det er en rekke mulige masser og egenskaper som aksjonen kan ha.
Innenfor det området av mulige tillatte masser og egenskaper til aksjonen, skjer noe bemerkelsesverdig. Hvis vi ønsker å fylle universet med mørk materie, må den mørke materien ha visse egenskaper. Den kan ikke samhandle med normal materie veldig ofte, og den kan ikke engang samhandle med seg selv veldig ofte heller. Dessuten må det være mye av det, og det må være veldig stabilt og lang levetid. Det viser seg at noen av spekteret av mulige aksjonsegenskaper gjør at den hypotetiske partikkelen kan være en kandidat for den mørke materien.
The Dark Axions
Hvis vi lar aksjonen være den mørke saken, kan det generelt forklare alle de vanlige observasjonene av mørk materie. Det kan forklare rotasjonskurvene inne i galakser. Det kan forklare bevegelsene til galakser i galakse klynger. Det kan produseres i tilstrekkelig overflod i det tidlige universet for å passe til observasjoner av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. Og så videre.
Dessuten kan aksjoner i kjernene til galakser buntes tett nok til å danne en eneste massiv ball som i begynnelsen vil rødme veldig ut som et supermassivt svart hull. Det ville være lite, det ville ikke samhandle med lys, og det ville være utrolig massivt. Selv om nyere observasjoner fra Event Horizon Telescope ga oss et bokstavelig bilde av et gigantisk svart hull i en annen galakse, betyr det ikke nødvendigvis å utelukke at disse aksjonskjernene fortsatt lurer i dypet av galakser over hele universet. Og det er med disse mulige aksjonskjernene vi kanskje kan få tak i egenskapene deres.
Svarte hull er nøkkelen
Bortsett fra Event Horizon Telescope, har vi ingen direkte observasjoner av supermassive sorte hull. Vi kan bare se materialet som virvler rundt og siver rundt dem. Og ut fra egenskapene til det materialet kan vi estimere størrelsen og massen til de sorte hullene. Med disse teknikkene har vi gjennom flere tiår avdekket et veldig rart forhold: mer massive galakser er vertskap for mer massive sorte hull i sentrene. Dette forholdet er faktisk relativt stramt, og det forteller oss at svarte hull på en eller annen måte har utviklet seg sammen med deres vertsgalakser.
Men som sagt, vi kan ikke se de svarte hullene direkte. Så de er kanskje ikke sorte hull i det hele tatt. Det kan være aksjonskjerner som gjemmer seg i sentrum av disse galaksenes. Hvis dette er tilfelle, er det ikke at sorte hull utviklet seg sammen med vertsgalaksen, men at aksjonskjernene utviklet seg sammen med vertsgalaksen. Jo større galakse, desto mer aksjons mørk materie kan den være vertskap for, og jo større er aksjonskjernen i sentrum.
Dette betyr at vi kan bruke forholdet mellom det sentrale mørke objektet (enten det er svart hull eller aksjonskjernen) og selve galaksen for å begrense aksjonenes egenskaper. Dette fungerer fordi hvis du begynner å leke med aksjonspartikkelmassen, påvirker dette hvor lett du kan klumpe deg sammen for å danne en kjerne, noe som vil endre forholdet til vertsgalaksen.
Et team av astronomer benyttet nylig forholdet mellom sorte hull og galakser for å gjøre nøyaktig dette, og klarte å plassere noen øvre grenser for aksjonspartikkelmassen, noe som vil hjelpe med å lede fremtidige eksperimenter og direkte søk. Er aksjonen ansvarlig for den mørke materien i universet? Forhåpentligvis en dag kan vi belyse situasjonen.
Les mer: “Axion core - halo mass and the black hole – halo mass relation: begrensninger på noen få parsec skalaer”
