لا WIMPS! الجسيمات الثقيلة لا تفسر شذوذ الجاذبية العدسية – Ars Technica

بعد عقود من الواضح أن الكون المرئي مبني على إطار من المادة المظلمة ، ما زلنا لا نعرف ما هي المادة المظلمة في الواقع. على المقاييس الكبيرة ، تشير مجموعة متنوعة من الأدلة إلى ما يسمى بـ WIMPs: جزيئات ضخمة متفاعلة بشكل ضعيف. ولكن هناك مجموعة متنوعة من التفاصيل التي يصعب شرحها باستخدام WIMPs ، ولم تظهر عقود من البحث عن الجسيمات شيئًا ، مما ترك الناس منفتحين على فكرة أن شيئًا آخر غير WIMP يتكون من مادة مظلمة.

واحد من العديد من المرشحين هو شيء يسمى أكسيون ، وهو جسيم يحمل القوة تم اقتراحه لحل مشكلة في منطقة غير مرتبطة بالفيزياء. إنها أخف بكثير من WIMPs ولكن لها خصائص أخرى تتوافق مع المادة المظلمة ، والتي حافظت على مستوى منخفض من الاهتمام بها. الآن ، تجادل ورقة جديدة بأن هناك ميزات في عدسة الجاذبية (إلى حد كبير نتاج المادة المظلمة) التي يمكن تفسيرها بشكل أفضل من خلال الخصائص الشبيهة بالأكسيون.

جسيم أم موجة؟

إذن ، ما هو الأكسيون؟ في أبسط المستويات ، إنه جسيم خفيف للغاية بدون دوران ويعمل كحامل للقوة. تم اقتراحهم في الأصل للتأكد من أن الديناميكا اللونية الكمومية ، التي تصف سلوك القوة القوية التي تربط البروتونات والنيوترونات معًا ، لا تكسر الحفاظ على تكافؤ الشحنة. تم القيام بعمل كافٍ للتأكد من توافق المحاور مع الأطر النظرية الأخرى ، وتم إجراء بعض عمليات البحث لمحاولة اكتشافها. لكن الأكسيونات ضعفت في الغالب كواحدة من عدد من الحلول المحتملة لمشكلة لم نتوصل بعد إلى كيفية حلها.

ومع ذلك ، فقد جذبت بعض الاهتمام كحلول محتملة للمادة المظلمة. ولكن تم تفسير سلوك المادة المظلمة بشكل أفضل من خلال الجسيم الثقيل – تحديدًا الجسيم الضخم الذي يتفاعل بشكل ضعيف. كان من المتوقع أن تكون الأكسيونات في الجانب الأخف ويمكن أن تكون خفيفة مثل النيوترينو شبه عديم الكتلة. تميل عمليات البحث التي تم إجراؤها على الأكسيونات إلى استبعاد العديد من الجماهير الثقيلة أيضًا ، مما يجعل المشكلة أكثر وضوحًا.

لكن قد تعود الأكسيونات إلى الظهور ، أو على الأقل تظل ثابتة في حين أن WIMPs faceplant. كان هناك عدد من أجهزة الكشف التي تم بناؤها لمحاولة التعرف على مؤشرات التفاعلات الضعيفة لـ WIMPs ، وقد ظهرت فارغة. إذا كانت WIMPs عبارة عن جسيمات من النموذج القياسي ، فيمكننا استنتاج وجودها بناءً على الكتلة المفقودة في مصادمات الجسيمات. لم يظهر أي دليل على ذلك. وقد دفع ذلك الناس إلى إعادة النظر فيما إذا كانت WIMPs هي أفضل حل للمادة المظلمة.

على المقاييس الكونية ، تستمر WIMPs في ملاءمة البيانات بشكل جيد للغاية. ولكن بمجرد وصولك إلى مستويات المجرات الفردية ، هناك بعض الشذوذ الذي لا يعمل بشكل جيد ما لم تكن هالة المادة المظلمة المحيطة بالمجرة لها بنية معقدة. تبدو أشياء مماثلة صحيحة عندما تحاول رسم خريطة للمادة المظلمة للمجرات الفردية بناءً على قدرتها على إنشاء عدسة جاذبية تشوه الفضاء بحيث تكبر وتشوه الأجسام الموجودة في الخلفية.

يحاول العمل الجديد ربط هذه الشذوذ المحتملة بالاختلاف بين خصائص WIMPS و axions. كما يوحي اسمها ، يجب أن تتصرف WIMP مثل الجسيمات المنفصلة ، وتتفاعل بشكل كامل تقريبًا من خلال الجاذبية. على النقيض من ذلك ، يجب أن تتفاعل المحاور مع بعضها البعض من خلال التداخل الكمي ، مما يخلق أنماطًا شبيهة بالموجات في ترددها في جميع أنحاء المجرة. لذلك ، في حين أن تردد WIMPs يجب أن ينخفض ​​بلطف مع المسافة من قلب المجرة ، يجب أن تشكل الأكسيونات موجة ثابتة (تقنيًا ، soliton) التي تعزز ترددها بالقرب من قلب المجرة. أبعد من ذلك ، يجب أن تخلق أنماط التداخل المعقدة مناطق لا توجد فيها محاور بشكل أساسي ومناطق أخرى حيث تكون موجودة بضعف متوسط ​​الكثافة.

من الصعب تحديد الموقع

مع بعض الاستثناءات المحتملة ، تشكل المادة المظلمة غالبية كتلة المجرة. بالنظر إلى ذلك ، يجب أن تتسبب أنماط التداخل هذه في أن يكون سحب الجاذبية من مناطق مختلفة من المجرة غير متساوٍ. إذا كانت الاختلافات بين المناطق كبيرة بما يكفي ، فمن المحتمل أن يظهر ذلك على أنه انحرافات طفيفة في السلوك المتوقع لعدسات الجاذبية. لذلك ، يجب أن تظل الأشياء الموجودة خلف المجرة تظهر كصور عدسية ؛ قد لا يتم تشكيلها بالطريقة التي نتوقعها أو بالضبط في الموقع الذي نتوقعه.

تشير النمذجة إلى أن هذه الانحرافات صغيرة بما يكفي لدرجة أنه حتى تلسكوب هابل الفضائي لم يتمكن من التقاطها. ولكن قد يكون من الممكن اكتشافها عند أطوال موجات الراديو من خلال دمج البيانات من تلسكوبات راديوية منفصلة على نطاق واسع في ما هو أساسًا تلسكوب عملاق واحد. (مكّن هذا النهج تلسكوب أفق الحدث من إنشاء صورة لثقب أسود).

وفي حالة واحدة على الأقل ، لدينا تلك البيانات. HS 0810 + 2554 عبارة عن مجرة ​​بيضاوية ضخمة تقع بيننا وبين ثقب أسود نشط في قلب مجرة ​​أخرى. تخلق عدسة الجاذبية التي أنشأتها المجرة في المقدمة أربع صور للمجرة النشطة ، لكل منها قلب مجري لامع ونفثتان كبيرتان من المواد الممتدة منه. من الممكن مقارنة موقع وتشويه هذه الصور الأربع بما كنا نتوقعه بناءً على وجود هالة نموذجية من المادة المظلمة في المجرة الأمامية.

إنه أمر بسيط نسبيًا فعله مع WIMPs ، نظرًا لوجود نمط واحد فقط نتوقعه: السقوط التدريجي لمستويات المادة المظلمة وأنت تبتعد عن قلب المجرة. تقوم تنبؤات العدسة المستندة إلى هذا التوزيع بعمل ضعيف في مطابقة بيانات العالم الحقيقي الخاصة بمكان ظهور الصور بعدسات العدسة.

يكمن التحدي في إجراء نفس التحليل استنادًا إلى أنماط تداخل الأكسيونات الفوضوية: قم بتشغيل النموذج مرتين بشروط أولية مختلفة ، وستحصل على نمط تداخل مختلف. لذا ، فإن احتمالات الحصول على تلك الموجودة بالفعل في مجرة ​​العالم الحقيقي التي تقوم بالعدسات ضئيلة للغاية. بدلاً من ذلك ، قام فريق البحث بتشغيل 75 نموذجًا مختلفًا مع اختيار الشروط الأولية عشوائيًا. عن طريق الصدفة ، أحدثت بعض هذه التشوهات المشابهة لتلك التي تظهر في بيانات العالم الحقيقي ، وعادة ما تؤثر على واحدة فقط من الصور الأربعة بعدسة. لذلك ، خلص الباحثون إلى أن التشوهات في الصور العدسية تتفق مع هالة المادة المظلمة التي تتكون من التداخل الكمي للأكسيونات.

لذا ، هل هي حقا أكسيونات؟

لن يكون تحليل مجرة ​​واحدة بمثابة ضربة قاسية حاسمة لأي شيء ، وهناك العديد من الأسباب التي تجعلك أكثر حذرًا هنا. على سبيل المثال ، وضع الباحثون بعض الافتراضات حول توزيع المادة العادية والمرئية في المجرة ، والتي لها أيضًا تأثير الجاذبية. ويعتقد أن المجرات الإهليلجية هي نتيجة اندماج مجرات أصغر ، مما قد يؤثر على توزيع المادة المظلمة بطرق خفية يصعب اكتشافها عن طريق تتبع توزيع المادة العادية.

أخيرًا ، هذا النوع من أنماط التداخل يعمل فقط مع المحاور الخفيفة غير العادية – بترتيب 10^-22 الكترون فولت. على النقيض من ذلك ، تبلغ كتلة الإلكترون نفسه حوالي 500000 إلكترون فولت. هذا من شأنه أن يجعل الأكسيونات أخف بكثير حتى من النيوترينوات.

ويتوخى مؤلفو البحث الجديد أنفسهم الحذر في الغالب بشأن الأدلة هنا ، ويختتمون بحثهم بجملة: “تحديد ما إذا كان [WIMP- or axion-based dark matter] إعادة إنتاج الملاحظات الفيزيائية الفلكية بشكل أفضل ستميل التوازن نحو إحدى الفئتين المتماثلتين من النظريات للفيزياء الجديدة. “لكن حذرهم ينزلق في الجملة الأخيرة من الملخص ، حيث يكتبون ،” قدرة [axion-based dark matter] لحل شذوذ العدسة حتى في الحالات الصعبة مثل HS 0810 + 2554 ، جنبًا إلى جنب مع نجاحه في إعادة إنتاج الملاحظات الفيزيائية الفلكية الأخرى ، قم بإمالة التوازن نحو الفيزياء الجديدة التي تستدعي المحاور. “

سنرى ، بلا شك قريبًا ، ما إذا كان الفيزيائيون يشاركونهم هذه المشاعر وراء المؤلفين والمراجعين الأقران لهذه الورقة.

علم الفلك الطبيعي ، 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (حول DOIs).