Новый взгляд на «кольца Эйнштейна» вокруг далеких галактик приблизил нас к разрешению споров о темной материи.

Физики считают, что большая часть материи во Вселенной состоит из невидимой материи, о которой мы знаем только благодаря ее косвенному влиянию на звезды и галактики, которые мы можем видеть.

Мы не сумасшедшие! Без этой «темной материи» вселенная, какой мы ее видим, не имела бы смысла.

Но природа темной материи — древняя загадка. но, Новое исследование Написано Альфредом Амротом из Университета Гонконга и его коллегами, опубликовано в естественная астрономияиспользует гравитационное искривление света, чтобы приблизить нас на один шаг к пониманию.

Невидимый, но вездесущий

Причина, по которой мы думаем, что темная материя существует, заключается в том, что мы можем наблюдать ее гравитационное воздействие на поведение галактик. В частности, темная материя, по-видимому, составляет около 85% массы Вселенной, и большинство далеких галактик, которые мы можем видеть, окружены ореолом таинственной материи.

Но темной материей ее называют потому, что она не излучает, не поглощает и не отражает свет, что делает ее очень сложной для обнаружения.

Так что же это за вещи? Мы думаем, что это должна быть какая-то неизвестная фундаментальная частица, но мы пока не уверены. Все попытки обнаружить частицы темной материи в лабораторных экспериментах пока не увенчались успехом, и физики десятилетиями спорят об их природе.

Ученые предложили двух основных гипотетических кандидатов на роль темной материи: относительно тяжелые объекты, называемые слабо взаимодействующими массивными частицами (или вимпами), и чрезвычайно легкие частицы, называемые аксионами. Теоретически вимпы ведут себя как дискретные частицы, тогда как аксионы ведут себя во многом как волны из-за квантовой интерференции.

Было трудно различить эти две возможности, но небольшой обход далеких галактик дал ключ к разгадке.

Гравитационное линзирование и кольца Эйнштейна

Когда свет проходит через Вселенную через массивный объект, такой как галактика, его путь искривляется, потому что, согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, гравитация массивного объекта искажает пространство и время вокруг него.

В результате иногда, когда мы смотрим на далекую галактику, мы можем видеть искаженные изображения других галактик за ней. И если все выровняется идеально, свет от фоновой галактики будет вращаться вокруг ближайшей галактики.

Это искажение света называется «гравитационным линзированием», а круги, которые оно может создавать, называются «петлями Эйнштейна».

Изучая, как искажаются кольца или другие линзообразные изображения, астрономы могут узнать о свойствах ореола темной материи, окружающего ближайшую галактику.

Аксионы против вимпов

И это именно то, что Амрот и его команда сделали в своем новом исследовании. Они рассмотрели несколько систем, в которых несколько копий одного и того же объекта были видны на заднем плане вокруг линзирующей галактики на переднем плане, уделив особое внимание системе под названием HS 0810+2554.

Используя подробное моделирование, они выяснили, как искажались бы изображения, если бы темная материя состояла из вимпов, и как это было бы, если бы темная материя состояла из аксионов. Модель WIMP не очень походила на настоящую, но модель аксиона точно воспроизводила все функции системы.

Это открытие указывает на то, что аксионы являются более вероятными кандидатами на роль темной материи, а их способность объяснять аномалии линзирования и другие астрофизические наблюдения раздражают ученых.

частицы и галактики

Новое исследование основано на предыдущих исследованиях, которые также показали, что аксионы являются наиболее вероятной формой темной материи. Например, одно исследование смотрели на эффекты темной материи аксиона на космическом микроволновом фоне, в то время как последний Изучение поведения темной материи в карликовых галактиках.

Хотя это исследование не положит конец научным дебатам о природе темной материи, оно открывает новые возможности для испытаний и экспериментов. Например, будущие наблюдения гравитационного линзирования могут быть использованы для изучения волнообразной природы аксонов и, возможно, измерения их массы.

Лучшее понимание темной материи повлияет на то, что мы знаем о физике элементарных частиц и ранней Вселенной. Это также может помочь нам лучше понять, как формируются и меняются галактики с течением времени.