Из чего состоит темная материя? Это один из самых сложных вопросов современной астрономии.
Мы знаем, что темная материя существует, поскольку мы можем видеть ее очевидное гравитационное влияние на все, от галактик до эволюции всей вселенной, но не знаем, чем она является. Лучшее из наших предположений состоит в том, что это какая-то странная новая частица, которая "не любит общаться" с нормальной материей достаточно часто (иначе мы бы видели ее сейчас). Одна из вероятных возможностей - это экзотическая гипотетическая разновидность частиц, известная как аксион, и поэтому команда астрономов использует не что иное, как черные дыры, чтобы попытаться получить представление об этом странном новом космическом существе.
Аксион на повестке дня
Мы не знаем, существуют ли аксионы. Они были изобретены, чтобы объяснить загадку в физике высоких энергий. В природе существует определенный тип симметрии, в котором, если вы берете какое-то случайное взаимодействие, включающее множество субатомных частиц, и выключаете все электрические заряды для противоположного знака, а также запускаете процесс в зеркале, вы получаете точно такой же результат. Это известно как симметрия заряда и четности, или сокращенно CP-симметрия.
Эта симметрия сохраняется повсюду в природе, за исключением случаев слабой ядерной силы, которая способна нарушать эту симметрию.
Загадка состоит в том, что сильные ядерные силы по всем правилам должны также нарушать ее. В математике есть термины, которые совершенно очевидно нарушают CP-симметрию, и все же мы не видим каких-либо признаков нарушения симметрии сильной ядерной силой ни в одном из наших экспериментов. Итак, что-то должно должно продолжать восстанавливать эту симметрию, когда она должна быть нарушена.
Ответ - или, по крайней мере, один потенциальный ответ - это новый тип частиц, с названием аксион. Аксион восстанавливает определенный вид баланса в силе (да, я знаю об этой отсылке к Звездным войнам), так что CP-симметрия сохраняется, и каждый может заниматься своей повседневной жизнью. Конечно, до настоящего времени эксперименты напрямую не выявили существование аксиона, и существует целый ряд возможных масс и свойств, которые аксион может иметь.
Впечатление художника о темной материи, окружающей Млечный путь. (ESO/L. Calçada)
В этом диапазоне возможных допустимых масс и свойств аксиона происходит нечто замечательное. Если мы хотим наполнить вселенную темной материей, эта темная материя должна обладать определенными свойствами. Она не может взаимодействовать с нормальной материей очень часто и даже не может взаимодействовать сама с собой. Кроме того, ее должно быть много, и она должна быть очень стабильной и долговечной. Оказывается, что некоторые из диапазона возможных свойств аксиона позволяют этой гипотетической частице быть кандидатом на темную материю.
Темные аксионы
Если мы допустим, что аксион является темной материей, тогда вполне объяснимы все обычные наблюдения темной материи. Объяснимы кривые вращения внутри галактик. Объяснимо движение галактик в скоплениях галактик. Она могла быть созданной в достаточном количестве в ранней Вселенной, чтобы соответствовать наблюдениям космического микроволнового фона. И так далее.
Более того, аксионы в ядрах галактик могут сворачиваться друг с другом достаточно плотно, чтобы образовать единый массивный шар, который на первый взгляд будет очень похож на сверхмассивную черную дыру. Он будет маленьким, не будет взаимодействовать со светом и будет невероятно массивным. Хотя недавние наблюдения с помощью телескопа Event Horizon («Горизонт событий») дали нам буквальную картину гигантской черной дыры в другой галактике, это не значит, что обязательно нужно исключить существование ядер аксионов, которые все еще скрываются в глубинах галактик во всей Вселенной. И именно с помощью этих возможных аксионных ядер мы могли бы получить их свойства.
Черные дыры - это ключ
Помимо телескопа «Горизонт событий» у нас нет прямых наблюдений сверхмассивных черных дыр. Мы можем видеть только материал, который кружится и кипит вокруг них. И по свойствам этого материала мы можем оценить размер и массу черных дыр. Используя эти методы, за десятилетия мы обнаружили очень странные отношения: более массивные галактики содержат более массивные черные дыры в своих центрах. Эти отношения на самом деле относительно тесные, и это говорит нам о том, что черные дыры каким-то образом развивались вместе со своими галактиками.
Концепция художника показывает самую далекую сверхмассивную черную дыру из когда-либо обнаруженных. Она является частью квазара всего через 690 миллионов лет после Большого взрыва. Предоставлено: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science
Но, как было сказано, мы не можем наблюдать черные дыры напрямую. Поэтому они не обязательно могут быть черными дырами вообще. Это могут быть ядра аксионов, что скрываются в центрах таких галактик. Если это так, то дело не в том, что черные дыры совместно эволюционировали со своими галактиками-хозяевами, а в том, что ядра аксионов совместно развивались с галактиками-хозяевами. Чем больше галактика, тем больше аксионной темной материи она может содержать и тем больше ядро аксиона в центре.
Это означает, что мы можем использовать отношения между центральным темным объектом (будь то черная дыра или ядро аксиона) и самой галактикой, чтобы ограничить свойства аксионов. Поскольку, если вы начнете изменять массу аксионных частиц, это повлияет на то, насколько легко вы сможете сформировать ядро, которое изменит отношение к галактике-хозяину.
Команда астрономов недавно использовала связь между черными дырами и галактиками, чтобы сделать именно так, и смогла установить некоторые верхние пределы для массы частиц аксиона, которые помогут направить будущие эксперименты и прямые поиски. Отвечает ли аксион за темную материю во вселенной? Надеюсь, когда-нибудь мы сможем пролить свет на ситуацию.