Waar is donkere materie van gemaakt? Het is een van de meest verbijsterende vragen van de moderne astronomie. We weten dat donkere materie daarbuiten is, omdat we de duidelijke invloed van de zwaartekracht op alles kunnen zien, van sterrenstelsels tot de evolutie van het hele universum, maar we weten niet wat het is. Onze beste gok is dat het een soort raar nieuw deeltje is dat niet vaak met normale materie praat (anders, we zouden het nu gezien hebben). Een mogelijkheid is dat het een exotisch hypothetisch deeltje is dat bekend staat als een axion, en een team van astronomen gebruikt niemand minder dan zwarte gaten om een ​​glimp op te vangen van dit vreemde nieuwe kosmische wezen.

Axion-agenda

Ik zal eerlijk tegen je zijn, we weten niet of axions bestaan. Ze zijn uitgevonden om een ​​raadsel in de hoge-energiefysica uit te leggen. Er is een bepaald soort symmetrie in de natuur waarbij het uitschakelen van de elektrische ladingen van alle deeltjes in een willekeurige interactie en het uitvoeren van het proces in de spiegel exact hetzelfde resultaat oplevert. Dit staat bekend als ladings- en pariteitssymmetrie, of kortweg CP-symmetrie.

Deze symmetrie geldt overal in de natuur, behalve wanneer dat niet het geval is, zoals in het geval van de zwakke kernkracht, die deze symmetrie kan schenden wanneer hij maar wil.

Het raadsel is dat door alle rechten, de sterke kernkracht zou dit moeten schenden, te. Er zijn termen in de wiskunde die heel duidelijk de CP-symmetrie doorbreken, en toch zien we in geen van onze experimenten tekenen van symmetrie die breekt met de sterke kernkracht. Er moet dus iets aan de hand zijn om deze symmetrie te herstellen, terwijl deze verbroken zou moeten worden.

Het antwoord - of op zijn minst één mogelijk antwoord - is een nieuw soort deeltje dat het axion wordt genoemd. Het axion herstelt een bepaald soort balans in de kracht (ja ik ben me bewust van de Star Wars verwijzing, hier) zodat de CP-symmetrie behouden blijft en iedereen zijn dagelijkse leven kan leiden. Natuurlijk, experimenten tot nu toe hebben niet direct het bestaan ​​van het axion onthuld, en er is een reeks mogelijke massa's en eigenschappen die het axion zou kunnen hebben.

Binnen dat bereik van mogelijke toelaatbare massa's en eigenschappen van het axion, gebeurt er iets opmerkelijks. Als we het heelal willen vullen met donkere materie, dat donkere materie bepaalde eigenschappen moet hebben. Het kan niet vaak interageren met normale materie en het kan zelfs niet vaak met zichzelf interageren, of. Ook, er moet veel van zijn, en het moet zeer stabiel en langlevend zijn. Het blijkt dat sommige van de mogelijke axion-eigenschappen dat hypothetische deeltje een kandidaat voor donkere materie maken.

The Dark Axions

Als we het axion als donkere materie beschouwen, het kan in het algemeen alle gebruikelijke waarnemingen van donkere materie verklaren. Het kan de rotatiekrommen in sterrenstelsels verklaren. Het kan de bewegingen van sterrenstelsels in clusters van sterrenstelsels verklaren. Het kan in het vroege heelal in voldoende overvloed worden vervaardigd om te passen bij waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond. Enzovoort.

Bovendien, axions in de kernen van sterrenstelsels kunnen stevig genoeg samenbundelen om een ​​enkele massieve bal te vormen die op het eerste gezicht veel lijkt op een superzwaar zwart gat. Het zou klein zijn, het zou geen interactie hebben met licht, en het zou ongelooflijk groot zijn. Terwijl recente waarnemingen van de Event Horizon Telescope ons een letterlijk beeld gaven van een gigantisch zwart gat in een ander sterrenstelsel, het sluit niet noodzakelijk uit dat deze axion-kernen nog steeds op de loer liggen in de diepten van sterrenstelsels in het universum. En het is met deze mogelijke axion-kernen dat we misschien grip kunnen krijgen op hun eigenschappen.

Zwarte gaten zijn de sleutel

Afgezien van de Event Horizon-telescoop, we hebben geen directe waarnemingen van superzware zwarte gaten. We kunnen alleen het materiaal zien dat om hen heen wervelt en kookt. En uit de eigenschappen van dat materiaal, we kunnen de grootte en massa van de zwarte gaten schatten. Met deze technieken, we hebben in de afgelopen decennia een heel vreemde relatie ontdekt:massievere sterrenstelsels bevatten meer massieve zwarte gaten in hun centra. Deze relatie is eigenlijk relatief hecht, en het vertelt ons dat zwarte gaten op de een of andere manier co-evolueren met hun gastheerstelsels.

Maar zoals ik al zei, we kunnen de zwarte gaten niet rechtstreeks waarnemen. Dus misschien zijn het helemaal geen zwarte gaten. Het kunnen axion-kernen zijn die zich in de centra van die sterrenstelsels verbergen. Als dit de zaak is, dan is het niet zo dat zwarte gaten samen met hun gaststelsels zijn geëvolueerd, maar die axion-kernen zijn samen met hun gaststelsels geëvolueerd. Hoe groter de melkweg, hoe meer axion donkere materie het kan bevatten, en hoe groter de axionkern in het midden.

Dit betekent dat we de relatie tussen het centrale donkere object (of het nu een zwart gat of een axionkern is) en de melkweg zelf kunnen gebruiken om de eigenschappen van axionen te beperken. Dit werkt, want als je gaat spelen met de massa van de axiondeeltjes, het beïnvloedt hoe gemakkelijk axions kunnen samenklonteren om een ​​kern te vormen, die de relatie met het gaststelsel verandert.

Een team van astronomen heeft onlangs de relatie tussen zwarte gaten en sterrenstelsels gebruikt om precies dit te doen, en waren in staat om enkele bovengrenzen te stellen aan de axiondeeltjesmassa, die toekomstige experimenten en directe zoekopdrachten zullen helpen begeleiden. Is het axion verantwoordelijk voor de donkere materie in het heelal? Hopelijk, we kunnen op een dag enig licht op de situatie werpen.