Нов поглед към „пръстените на Айнщайн“ около далечни галактики ни доближи до разрешаването на дебата за тъмната материя

Физиците вярват, че по-голямата част от материята във Вселената се състои от невидима материя, за която знаем само чрез косвените й ефекти върху звездите и галактиките, които можем да видим.

Ние не сме луди! Без тази „тъмна материя“ Вселената, каквато я виждаме, не би имала смисъл.

Но природата на тъмната материя е древна мистерия. но, Ново проучване Написано от Алфред Амрот от Университета на Хонконг и колеги, публикувано в естествена астрономияизползва гравитационното огъване на светлината, за да ни приближи една стъпка по-близо до разбирането.

Невидим, но вездесъщ

Причината да мислим, че тъмната материя съществува е, че можем да видим нейните гравитационни ефекти върху поведението на галактиките. По-конкретно, тъмната материя изглежда съставлява около 85% от масата на Вселената и повечето от далечните галактики, които можем да видим, изглежда са заобиколени от ореол от мистериозна материя.

Но се нарича тъмна материя, защото не излъчва, не абсорбира и не отразява светлина, което я прави много трудна за откриване.

И така, какви са тези неща? Смятаме, че трябва да е някаква неизвестна фундаментална частица, но все още не сме сигурни. Всички опити за откриване на частици тъмна материя в лабораторни експерименти досега са се провалили и физиците обсъждат природата им от десетилетия.

Учените са предложили два основни хипотетични кандидата за тъмна материя: относително тежки характери, наречени слабо взаимодействащи масивни частици (или WIMP), и изключително леки частици, наречени аксиони. На теория WIMP се държат като дискретни частици, докато аксионите се държат много като вълни поради квантова намеса.

Беше трудно да се направи разлика между тези две възможности – но леко отклонение около далечни галактики даде следа.

Гравитационни лещи и пръстени на Айнщайн

Когато светлината преминава през Вселената през масивен обект като галактика, нейният път е извит, защото – според теорията на общата теория на относителността на Алберт Айнщайн – гравитацията на масивния обект изкривява пространството и времето около него.

В резултат на това понякога, когато гледаме далечна галактика, можем да видим изкривени изображения на други галактики зад нея. И ако нещата се подредят идеално, светлината от фоновата галактика ще обикаля около най-близката галактика.

Това изкривяване на светлината се нарича „гравитационна леща“, а кръговете, които може да създаде, се наричат ​​„примки на Айнщайн“.

Чрез изучаване на това как пръстените или други лещовидни изображения се изкривяват, астрономите могат да научат за свойствата на ореола от тъмна материя, заобикалящ най-близката галактика.

Axions срещу WIMP

И точно това направиха Амрот и неговият екип в новото си проучване. Те разгледаха няколко системи, където множество копия на един и същ обект се виждаха на заден план около галактиката с лещи на преден план, със специален фокус върху система, наречена HS 0810+2554.

Използвайки подробно моделиране, те разработиха как изображенията ще се изкривят, ако тъмната материя е направена от WIMPs спрямо това как би било, ако тъмната материя е направена от аксиони. Моделът WIMP не приличаше много на истинския, но моделът axion точно възпроизвеждаше всички характеристики на системата.

Откритието показва, че аксионите са по-вероятен кандидат за тъмна материя и способността им да обясняват аномалии на лещи и други астрофизични наблюдения дразни учените.

частици и галактики

Новото изследване се основава на предишни проучвания, които също показват, че аксионите са най-вероятната форма на тъмна материя. Например, едно проучване разгледа ефектите на аксионната тъмна материя върху космическия микровълнов фон, докато последно Изследване на поведението на тъмната материя в галактиките джуджета.

Въпреки че това изследване няма да сложи край на научния дебат за природата на тъмната материя, то отваря нови пътища за тестване и експериментиране. Например, бъдещи наблюдения на гравитационни лещи могат да се използват за изследване на вълнообразната природа на аксоните и евентуално измерване на тяхната маса.

По-доброто разбиране на тъмната материя ще има последици за това, което знаем за физиката на елементарните частици и ранната вселена. Може също така да ни помогне да разберем по-добре как галактиките се формират и променят с течение на времето.