Mistä tumma aine on tehty? Se on yksi modernin tähtitieteen hämmentävimmistä kysymyksistä. Tiedämme, että tumma aine on siellä, koska voimme nähdä sen ilmeisen painovoiman vaikutuksen kaikkeen galakseista koko maailmankaikkeuden evoluutioon, mutta emme tiedä mitä se On. Paras arvauksemme on, että kyseessä on jonkinlainen outo hiukkanen, joka ei halua puhua normaaliasiain usein (muuten olisimme nähneet sen jo nyt). Yksi mahdollisuus on, että kyse on eksoottisesta hypoteettisesta hiukkasesta, joka tunnetaan nimellä aksioni, ja tähtitieteilijöiden joukkue ei käytä mitään muuta kuin mustia reikiä yrittääkseen saada väläyksen tähän omituiseen uuteen kosmiseen kriitikkoon.
Axion-ohjelma
Olen rehellinen kanssasi, emme tiedä, onko aksioita olemassa. Ne keksittiin selittämään ymmärrystä korkean energian fysiikassa. Luonnossa on tietyntyyppinen symmetria, jos jos otat satunnaisen vuorovaikutuksen, joka sisältää paljon alaatomisia hiukkasia, ja kytket kaikkien virran sähkölataukset vastakkaiselle merkille ja suoritat prosessin myös peilissä, saat täsmälleen saman tuloksen. Tätä kutsutaan latauksen ja pariteetin symmetriseksi tai lyhytaikaisesti CP-symmetriseksi.
Tämä symmetria on kaikkialla luonnossa, paitsi silloin, kun sitä ei ole, kuten heikon ydinvoiman tapauksessa, joka kykenee rikkomaan tätä symmetriaa milloin tahansa.
Ymmärrys on, että vahvojen ydinvoimien olisi kaikilla oikeuksilla rikottava myös tätä. Matematiikassa on termejä, jotka rikkovat selvästi CP-symmetrian, mutta emme kuitenkaan näe millään kokeilumme merkkejä siitä, että symmetria murtuisi voimakkaan ydinvoiman kanssa. Joten jotain on meneillään tämän symmetrian palauttamiseksi, kun se pitäisi rikkoa.
Vastaus - tai ainakin yksi potentiaalinen vastaus - on uudenlainen hiukkas, jota kutsutaan aksioniksi. Aksioni palauttaa tietynlaisen tasapainon voimalla (kyllä, olen tietoinen Tähtien sotaviittauksista tässä), jotta CP-symmetria säilyy ja jokainen voi jatkaa päivittäistä elämäänsä. Tietenkin tähän mennessä suoritetut kokeet eivät ole suoraan paljastaneet akselin olemassaoloa, ja aksonilla voi olla joukko mahdollisia massoja ja ominaisuuksia.
Akselin mahdollisten sallittujen massojen ja ominaisuuksien alueella tapahtuu jotain merkittävää. Jos haluamme täyttää maailmankaikkeuden tummalla aineella, sillä tummalla aineella on oltava tietyt ominaisuudet. Se ei voi olla vuorovaikutuksessa normaalin asian kanssa hyvin usein, eikä se voi olla edes vuorovaikutuksessa itsensä kanssa hyvin usein. Lisäksi sitä on oltava paljon, ja sen on oltava erittäin vakaa ja pitkäikäinen. Osoittautuu, että jotkut mahdollisten aksionien ominaisuuksien joukosta sallivat kyseisen hypoteettisen hiukkasen olla ehdottomana pimeälle aineelle.
Pimeät akselit
Jos annamme aksionin olla pimeä aine, se voi yleensä selittää kaikki tavalliset pimeän aineen havainnot. Se voi selittää galaksien sisäiset pyörimiskäyrät. Se voi selittää galaksien liikkeet galaksiklusterissa. Sitä voidaan valmistaa riittävän runsaasti varhaisessa maailmankaikkeudessa, jotta se sopisi kosmisen mikroaaltotaustan havaintoihin. Ja niin edelleen.
Lisäksi galaksioiden ytimissä olevat akselit voivat nipistua toisiinsa riittävän tiukasti muodostaen yhden massiivisen pallon, joka ensin punastua näyttää paljon kuin supermassiivinen musta aukko. Se olisi pieni, se ei olisi vuorovaikutuksessa valon kanssa, ja se olisi uskomattoman massiivinen. Vaikka Event Horizon -teleskoopin äskettäiset havainnot antoivat meille kirjallisen kuvan toisessa galaksissa sijaitsevasta jättiläisestä mustasta aukosta, se ei tarkoita välttämättä sulkemasta pois sitä, että nämä aksionisydämät edelleen vaeltavat galaksien syvyydessä maailmankaikkeuden ympäri. Ja juuri näiden mahdollisten aksionisydämien avulla voimme saada käsityksen niiden ominaisuuksista.
Mustat reiät ovat avain
Event Horizon-teleskoopin lisäksi meillä ei ole suoria havaintoja supermassiivisista mustista reikistä. Näemme vain materiaalin, joka pyörii ja kutisee heidän ympärillään. Ja materiaalin ominaisuuksista voimme arvioida mustien reikien koon ja massan. Näillä tekniikoilla olemme vuosikymmenten ajan paljastaneet hyvin omituisen suhteen: massiivisemmat galaksit isännöivät massiivisempia mustia reikiä keskuksissaan. Tämä suhde on todella suhteellisen tiukka ja se kertoo meille, että mustat aukot kehittyivät jotenkin niiden isäntägalaksejen kanssa.
Mutta kuten sanoin, emme voi tarkkailla mustia reikiä suoraan. Joten ne eivät ehkä ole ollenkaan mustia aukkoja. Ne voivat olla aksionisydämiä, jotka piiloutuvat näiden galaksien keskuksiin. Jos näin on, niin ei ole, että mustat aukot kehittyisivät yhdessä heidän isäntägalaksejensa kanssa, mutta että aksionisydämet kehittyivät yhdessä heidän isäntägalaksejensa kanssa. Mitä suurempi galaksi, sitä enemmän axionin tummaa ainetta se voi vastaanottaa, ja mitä suurempi on axionin ydin keskellä.
Tämä tarkoittaa, että voimme käyttää tumman keskikohdan (onko kyseessä musta aukko vai aksionydin) ja itse galaksin välistä suhdetta rajoittaakseen aksioiden ominaisuuksia. Tämä toimii, koska jos aloitat pelaamisen aksiopartikkelimassan kanssa, tämä vaikuttaa siihen, kuinka helposti pystyt kimppuun muodostamaan ytimen, joka muuttaa suhdetta isäntägalaksiin.
Ryhmä tähtitieteilijöitä käytti äskettäin mustien reikien ja galaksien välistä suhdetta tehdäkseen täsmälleen tämän, ja pystyivät asettamaan akselin hiukkasmassalle joitain ylärajoja, mikä auttaa ohjaamaan tulevia kokeita ja suoria hakuja. Onko aksioni vastuussa maailmankaikkeuden pimeästä aineesta? Toivottavasti pystymme valaisemaan tilannetta jonkin verran.
Lue lisää: “Aksionydin - halo-massa ja mustan aukon - halo-massasuhde: rajoitukset muutamalla Parsek-asteikolla”
