Новый взгляд на «кольца Эйнштейна» приближает к решению споров о темной материи

Физики считают, что большая часть материи во Вселенной состоит из невидимого вещества, о котором известно только по его косвенному влиянию на звезды и галактики, которые мы можем видеть. Без этой «темной материи» вселенная, какой мы ее видим, не имела бы смысла.

Но природа темной материи — давняя загадка. Однако новое исследование Альфреда Амрута из Университета Гонконга и его коллег, опубликованное в журнале Nature Astronomy, использует гравитационное искривление света, чтобы приблизить нас к пониманию.

Невидимая, но вездесущая

Причина, по которой ученые думают, что темная материя существует, заключается в том, что можно видеть эффекты ее гравитации в поведении галактик. В частности, темная материя, по-видимому, составляет около 85% массы Вселенной, и большинство далеких галактик, которые мы можем видеть, окружены ореолом загадочного вещества.

Но ее называют темной материей, потому что она не испускает свет, не поглощает и не отражает его, что делает ее невероятно трудной для обнаружения.

Так что это за сущность? Ученые думают, что это должна быть какая-то неизвестная фундаментальная частица, но в остальном они не уверены. Все попытки обнаружить частицы темной материи в лабораторных экспериментах до сих пор не увенчались успехом, и физики десятилетиями спорят о ее природе.

Ученые предложили двух ведущих гипотетических кандидатов на роль темной материи: относительно тяжелые объекты, называемые слабо взаимодействующими массивными частицами (или вимпами, WIMP), и чрезвычайно легкие частицы, называемые аксионами.

Теоретически вимпы будут вести себя как дискретные частицы (ϱDM), тогда как аксионы будут вести себя гораздо больше как волны (ψDM) из-за квантовой интерференции.

Было трудно различить эти две возможности, но теперь свет, изгибающийся вокруг далеких галактик, дал ключ к разгадке.

Гравитационное линзирование и кольца Эйнштейна

Когда свет, путешествуя по Вселенной, проходит мимо массивного объекта, такого как галактика, его путь искривляется, потому что, согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, гравитация массивного объекта искажает пространство и время вокруг себя.

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 размазан по кругу вокруг ближайшей галактики.

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

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

Аксионы против вимпов

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

Используя подробное моделирование, они выяснили, как будут искажаться изображения, если темная материя будет состоять из вимпов, и как они будут искажаться, если темная материя будет состоять из аксионов.

Модель WIMP не очень походила на реальность, но модель аксиона точно воспроизводила все особенности системы.

Результат предполагает, что аксионы являются более вероятным кандидатом на роль темной материи, а их способность объяснять аномалии линзирования и другие астрофизические наблюдения вызывают у ученых понятное волнение.

Частицы и галактики

Новое исследование основано на предыдущих работах, которые также указывали на аксионы как на более вероятную форму темной материи.

Например, в одном исследовании изучалось влияние аксионной темной материи на космический микроволновый фон, а в другом изучалось поведение темной материи в карликовых галактиках.

Хотя это новое 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 исследования волнообразной природы аксионов и потенциального измерения их массы.

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