Iz česa je sestavljena temna snov? To je eno najbolj motečih vprašanj sodobne astronomije. Vemo, da je temna snov tam zunaj, saj lahko vidimo njen očiten gravitacijski vpliv na vse, od galaksij do evolucije celotnega vesolja, vendar ne vemo, kaj je.je. Naša najboljša domneva je, da gre za nekakšen čuden nov delec, ki se ne mara pogosto pogovarjati z normalno snovjo (sicer bi ga že videli). Ena od možnosti je, da gre za eksotično hipotetično vrsto delcev, znanih kot aksion, in skupina astronomov uporablja nič drugega kot črne luknje, da bi poskušala dobiti vpogled v to čudno novo kozmično bitje.
Axion agenda
Iskrena vam bom, ne vemo, ali aksioni obstajajo. Izumili so jih za razlago uganke v fiziki visokih energij. V naravi obstaja določena vrsta simetrije, kjer če vzamete neko naključno interakcijo, ki vključuje veliko subatomskih delcev in izklopite električne naboje vseh za nasprotni predznak, in tudi zaženete postopek v zrcalu, dobite popolnoma enak rezultat. To je znano kot simetrija naboja in parnosti ali na kratko CP-simetrija.
Ta simetrija velja povsod v naravi, razen kadar je ni, kot je v primeru šibke jedrske sile, ki lahko to simetrijo krši, kadar koli hoče.
Uganka je, da bi morala močna jedrska sila po vseh pravicah tudi to kršiti. V matematiki obstajajo izrazi, ki zelo očitno kršijo CP-simetrijo, a kljub temu v nobenem od naših poskusov ne vidimo znakov kršitve simetrije z močno jedrsko silo. Torej se mora nekaj dogajati, da se ta simetrija obnovi, ko bi jo bilo treba porušiti.
Odgovor – ali vsaj en potencialni odgovor – je nova vrsta delcev, imenovana aksion. Axion obnavlja določeno ravnotežje v sili (da, poznam sklicevanje na Vojne zvezd), tako da je CP-simetrija ohranjena in se lahko vsakdo ukvarja s svojim vsakdanjim življenjem. Seveda dosedanji poskusi niso neposredno razkrili obstoja aksiona in obstaja vrsta možnih mas in lastnosti, ki bi jih lahko imela aksion.
Umetnikov vtis temne snovi, ki obdaja Rimsko cesto. (ESO/L. Calçada)
V tem območju možnih dovoljenih mas in lastnosti aksiona se zgodi nekaj izjemnega. Če želimo vesolje napolniti s temno snovjo, mora imeti ta temna snov določene lastnosti. Ne more pogosto komunicirati z normalno snovjo in tudi sama s seboj ne more zelo pogosto. Prav tako ga mora biti veliko in mora biti zelo stabilen in dolgoživ. Izkazalo se je, da nekateri od možnih aksijskih lastnosti omogočajo, da je hipotetični delec kandidat za temno snov.
Temni Axions
Če pustimo, da je aksion temna snov, lahko na splošno pojasni vsa običajna opazovanja temne snovi. Lahko pojasni rotacijske krivulje znotraj galaksij. Lahko pojasni gibanje galaksij znotraj jat galaksij. V zgodnjem vesolju ga je mogoče izdelati v zadostni količini, da ustreza opazovanju kozmičnega mikrovalovnega ozadja. In tako naprej.
Še več, aksioni v jedrih galaksij se lahko združijo dovolj tesno, da tvorijo eno samo masivno kroglo, ki bi na prvi pogled izgledala kot supermasivna črna luknja. Bil bi majhen, ne bi vplival na svetlobo in bil bi neverjetno ogromen. Medtem nedavna opazovanja s teleskopa Event Horizon Telescop e nam je dal dobesedno sliko velikanske črne luknje v drugi galaksiji, to pa ne pomeni nujno izključitve, da se ta aksionska jedra še vedno skrivajo v globinah galaksij po vsem vesolju. In prav s temi možnimi aksionskimi jedri bi morda lahko razumeli njihove lastnosti.
Črne luknje so ključ
Poleg teleskopa Event Horizon nimamo neposrednih opazovanj supermasivnih črnih lukenj. Vidimo lahko le material, ki se vrti in kipi okoli njih. In iz lastnosti tega materiala lahko ocenimo velikost in maso črnih lukenj. S temi tehnikami smo skozi desetletja odkrili zelo čudno razmerje: masivnejše galaksije imajo v svojih središčih več masivnih črnih lukenj. Ta odnos je pravzaprav razmeroma tesen in nam pove, da so se črne luknje nekako razvijale skupaj z gostiteljskimi galaksijami.
Koncept tega umetnika prikazuje najbolj oddaljeno supermasivno črno luknjo, ki so jo kdaj odkrili. Je del kvazarja iz le 690 milijonov let po velikem poku. Zasluge: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science
Toda kot sem rekel, črnih lukenj ne moremo opazovati neposredno. Torej morda sploh niso črne luknje. Morda so aksionska jedra, ki se skrivajo v središčih teh galaksij. Če je temu tako, potem ne gre za to, da so se črne luknje razvile skupaj z njihovimi galaksijami gostitelji, ampak da so se aksionska jedra soevoluirala z njihovimi galaksijami gostitelji. Večja kot je galaksija, več aksijskih temnih snovi lahko gosti, in večje je aksijsko jedro v središču.
To pomeni, da lahko uporabimo razmerje med osrednjim temnim objektom (naj bo to črna luknja ali aksionsko jedro) in galaksijo samo, da omejimo lastnosti aksij. To deluje, ker če se začnete igrati z maso aksijskih delcev, potem to vpliva na to, kako enostavno se lahko združite v jedro, kar bo spremenilo odnos do galaksije gostiteljice.
Ekipa astronomov nedavno uporabil razmerje med črnimi luknjami in galaksijami, da bi naredil prav to , in so lahko postavili nekaj zgornjih mej na maso aksijskih delcev, kar bo pomagalo voditi prihodnje poskuse in neposredna iskanja. Ali je aksion odgovoren za temno snov v vesolju? Upajmo, da bomo nekega dne lahko osvetlili situacijo.
Preberi več: ' Aksijsko jedro – masa halo in razmerje črna luknja–masa halo: omejitve na nekaj parsekskih lestvicah '
