З чого складається темна матерія? Це одне з найбільш складних питань сучасної астрономії. Ми знаємо, що там знаходиться темна матерія, оскільки ми можемо бачити її очевидний гравітаційний вплив на все, від галактик до еволюції всього Всесвіту, але ми не знаємо, що це є. Ми найкраще здогадуємось, що це якась дивна нова частинка, яка не любить спілкуватися з нормальною матерією дуже часто (інакше ми б це бачили вже зараз). Можливість полягає в тому, що це екзотичний гіпотетичний вид частинок, відомий як аксіон, і команда астрономів використовує не що інше, як чорні діри, щоб спробувати зазирнути в цей дивний новий космічний чинник.
Порядок денний Аксіону
Я буду чесний з вами, ми не знаємо, чи існують осі. Вони були винайдені для пояснення загадок у фізиці високих енергій. У природі є певний вид симетрії, коли, якщо взяти якусь випадкову взаємодію, пов’язану з безліччю субатомних частинок, і вимкнути електричні заряди кожного для протилежного знаку, а також запустити процес у дзеркалі, ви отримаєте точно такий же результат. Це відома як симетрія заряду і паритету, або CP-симетрія коротко.
Ця симетрія зберігається скрізь у природі, за винятком випадків, коли цього немає, як у випадку слабкої ядерної сили, яка здатна порушувати цю симетрію кожного разу, коли їй здається, що це схоже.
Загадка полягає в тому, що, за всіма правами, сильна ядерна сила повинна теж порушувати це. У математиці є терміни, які дуже очевидно порушують CP-симетрію, але ми не бачимо жодних ознак симетрії, що порушуються з сильною ядерною силою в жодному з наших експериментів. Отже, щось має відновитись, щоб відновити цю симетрію, коли вона повинна бути порушена.
Відповідь - або хоча б одна потенційна відповідь - це новий вид частинок, який називається аксіоном. Аксіон відновлює певний вид рівноваги в силі (так, я знаю тут посилання на Зоряні війни), щоб збереглася CP-симетрія, і кожен може продовжувати своє повсякденне життя. Звичайно, експерименти на сьогоднішній день прямо не виявили існування аксіону, і існує цілий спектр можливих мас і властивостей, які може мати аксіон.
У межах діапазону можливих допустимих мас і властивостей аксіона відбувається щось чудове. Якщо ми хочемо наповнити Всесвіт темною речовиною, ця темна матерія повинна мати певні властивості. Він не може взаємодіяти з нормальною речовиною дуже часто, і навіть дуже часто не може взаємодіяти з собою. Також її потрібно багато, і вона повинна бути дуже стійкою і довговічною. Виявляється, деякі діапазони можливих властивостей аксіону дозволяють цій гіпотетичній частинці бути кандидатом у темну матерію.
Темні Осі
Якщо дозволити, що аксіон є темною речовиною, він, як правило, може пояснити всі звичні спостереження темної матерії. Це може пояснити криві обертання всередині галактик. Це може пояснити рухи галактик всередині кластерів галактик. Його можна виготовити в достатній кількості в ранньому Всесвіті, щоб відповідати спостереженням за космічним мікрохвильовим фоном. І так далі.
Більше того, осі в ядрах галактик можуть згуститися досить міцно, щоб утворити єдину масивну кулю, яка спочатку червоніла б дуже схожа на надмасивну чорну діру. Це було б мало, воно не взаємоділо б зі світлом, і було б неймовірно масивним. Хоча останні спостереження телескопа "Горизонт подій" дали нам буквальну картину гігантської чорної діри в іншій галактиці, це не означає, що це обов'язково виключає, що ці ядра аксіонів все ще приховуються в глибинах галактик у Всесвіті. І саме з цими можливими аксіоновими ядрами ми зможемо зрозуміти їх властивості.
Чорні отвори - це ключ
Крім телескопа Event Horizon, у нас немає прямих спостережень за надмасивними чорними дірами. Ми можемо бачити лише той матеріал, який кружляє і кипить навколо них. І з властивостей цього матеріалу ми можемо оцінити розмір і масу чорних дір. Завдяки цим методам ми протягом десятиліть виявили дуже дивні стосунки: більш масивні галактики розміщують у своїх центрах більш масивні чорні діри. Цей взаємозв'язок насправді досить жорсткий, і це говорить нам про те, що чорні діри якимось чином співпрацювали з їх галактиками-господарями.
Але, як я вже сказав, ми не можемо спостерігати за чорними дірами безпосередньо. Тому вони можуть бути зовсім не чорними дірами. Вони можуть бути ядрами аксіонів, що ховаються в центрах цих галактик. Якщо це так, то це не те, що чорні діри спільно еволюціонували з їх галактиками-хостами, а те, що ядра аксіону спільно розвивалися з їх галактиками-господарями. Чим більша галактика, тим більше темної речовини аксіона вона може розміщувати, і тим більше ядро аксіону в центрі.
Це означає, що ми можемо використовувати зв’язок між центральним темним об’єктом (чи то чорна діра чи ядро аксіону), так і самою галактикою для обмеження властивостей аксіонів. Це працює, тому що якщо ви почнете грати з масою частинок аксіону, то це впливає на те, наскільки легко ви зможете скластись до утворення ядра, що змінить відношення до галактики-господаря.
Команда астрономів нещодавно застосувала зв'язок між чорними дірами та галактиками, щоб зробити це саме так, і змогла встановити деякі верхні межі маси частинок аксіону, що допоможе керувати майбутніми експериментами та прямими пошуками. Чи відповідає вісь аксіона за темну матерію у Всесвіті? Сподіваємось, що колись ми зможемо пролити трохи ситуації на ситуацію.
Читайте більше: "Осередок осі - маса ореолу та маса чорної діри - ореол: обмеження на декілька шкал парсека"
