بعد عقود من الواضح أن الكون المرئي مبني على إطار من المادة المظلمة ، ما زلنا لا نعرف ما هي المادة المظلمة حقًا. على نطاق واسع ، تشير العديد من الأدلة إلى ما يسمى بـ WIMPs: جزيئات ضخمة تتفاعل بشكل ضعيف. ولكن هناك مجموعة متنوعة من التفاصيل التي يصعب شرحها باستخدام WIMPs ، ولم تظهر عقود من أبحاث الجسيمات شيئًا ، مما ترك الناس منفتحين على فكرة أن شيئًا آخر غير WIMP يتضمن المادة المظلمة.
واحد من العديد من المرشحين هو شيء يسمى الأكسيون ، وهو جسيم يحمل القوة تم اقتراحه لحل مشكلة في مجال لا علاقة له بالفيزياء. إنها أخف بكثير من WIMPs ولكن لها خصائص أخرى تتوافق مع المادة المظلمة ، مما جعل الاهتمام بها منخفضًا. 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 وعديم الدوران يعمل كمتجه 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 أن المحاور كانت متوافقة مع الأطر النظرية الأخرى ، وقد تم إجراء بعض الأبحاث لمحاولة اكتشافها. لكن الأكسيونات ضعفت في الغالب كواحدة من العديد من الحلول المحتملة لمشكلة لم نتوصل إلى حل لها.
ومع ذلك ، فقد جذبت الانتباه كحلول محتملة للمادة المظلمة. لكن أفضل طريقة لتفسير سلوك المادة المظلمة هي وجود جسيم ثقيل ، خاصة الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل. كان من المتوقع أن تكون الأكسيونات أخف وزنًا ويمكن أن تكون خفيفة مثل النيوترينو عديم الكتلة تقريبًا. تميل عمليات البحث عن الأكسيونات أيضًا إلى استبعاد العديد من الجماهير الثقيلة ، مما يجعل المشكلة أكثر وضوحًا.
لكن الأكسيونات يمكن أن تعود ، أو على الأقل تبقى مستقرة بينما يتأقلم WIMPs. كان هناك عدد من أجهزة الكشف التي تم إنشاؤها لمحاولة التقاط مؤشرات ضعف تفاعلات WIMP ، وقد تُركت فارغة. إذا كانت WIMPs عبارة عن جسيمات من النموذج القياسي ، فيمكننا استنتاج وجودها بناءً على الكتلة المفقودة في مصادمات الجسيمات. لم يتم تقديم أي دليل على ذلك. وقد دفع هذا الناس إلى إعادة فحص ما إذا كانت WIMPs هي أفضل حل للمادة المظلمة.
على المستوى الكوني ، تستمر WIMPs في التكيف بشكل جيد للغاية مع البيانات. ولكن بمجرد أن تصل إلى مستويات المجرات الفردية ، هناك بعض المراوغات التي لا تعمل بشكل جيد ما لم تكن هالة المادة المظلمة المحيطة بالمجرة لها بنية معقدة. تبدو أشياء مماثلة صحيحة عند محاولة رسم خريطة للمادة المظلمة للمجرات الفردية بناءً على قدرتها على إنشاء عدسة جاذبية تشوه الفضاء من أجل تكبير وتشويه أجسام الخلفية.
تؤدي المادة المظلمة القائمة على WIMP ، المصممة على اليسار ، إلى توزيع سلس عالي (أحمر) إلى منخفض (أزرق) وأنت تبتعد عن قلب المجرة. مع الأكسيونات (على اليمين) ، يخلق التداخل الكمي نمطًا غير منتظم أكثر.
امروث و. ال.
يحاول العمل الجديد ربط هذه المراوغات المحتملة بالاختلاف بين خصائص WIMPS والأكسيونات. كما يوحي اسمها ، من المتوقع أن تتصرف WIMPs مثل الجسيمات المنفصلة ، وتتفاعل بشكل كامل تقريبًا عن طريق الجاذبية. في المقابل ، يجب أن تتفاعل المحاور مع بعضها البعض من خلال التداخل الكمي ، مما يؤدي إلى إنشاء أنماط موجية في ترددها في جميع أنحاء مجرة بأكملها. لذا ، في حين أن تواتر WIMPs يجب أن ينخفض برفق مع المسافة من قلب المجرة ، يجب أن تشكل الأكسيونات موجة ثابتة (تقنيًا ، soliton) تزيد من ترددها بالقرب من قلب المجرة. علاوة على ذلك ، يجب أن تؤدي أنماط التداخل المعقدة إلى إنشاء مناطق لا توجد فيها محاور تقريبًا ومناطق أخرى توجد فيها بضعف متوسط الكثافة.
من الصعب تحديد الموقع
مع استثناءات قليلة ، تشكل المادة المظلمة غالبية كتلة المجرة. بالنظر إلى هذا ، يجب أن تجعل أنماط التداخل هذه سحب الجاذبية لمناطق مختلفة من المجرة غير متساوٍ. إذا كانت الاختلافات بين المناطق كبيرة بما يكفي ، فمن المحتمل أن يظهر هذا على أنه انحرافات طفيفة في السلوك المتوقع لعدسة الجاذبية. وبالتالي ، يجب أن تظهر الأشياء الموجودة خلف مجرة دائمًا كصور ذات عدسات ؛ قد لا يتم تشكيلها بالطريقة التي توقعناها أو بالضبط حيث قصدنا.
تشير النمذجة إلى أن هذه الانحرافات صغيرة بما يكفي لدرجة أنه حتى تلسكوب هابل الفضائي لا يمكنه اكتشافها. ولكن قد يكون من الممكن اكتشافها عند أطوال موجات الراديو من خلال دمج البيانات من تلسكوبات راديوية منفصلة على نطاق واسع في ما هو في الأساس تلسكوب عملاق واحد. (سمح هذا النهج لتلسكوب أفق الحدث بإنشاء 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 المادة تمتد منه. من الممكن مقارنة موقع وتشويه هذه الصور الأربع بما قد يتوقعه المرء بناءً على وجود هالة من المادة المظلمة النموذجية في المجرة الأمامية.
إنه أمر بسيط نسبيًا القيام به مع WIMPs ، لأن هناك نمطًا واحدًا فقط نتوقعه: تنخفض مستويات المادة المظلمة تدريجياً كلما ابتعدت عن قلب المجرة. تقوم تنبؤات العدسة المستندة إلى هذا التوزيع بعمل ضعيف في مطابقة بيانات العالم الحقيقي حول مكان ظهور صور العدسة.
يكمن التحدي في إجراء نفس التحليل بناءً على أنماط تداخل الأكسيونات الفوضوية: قم بتشغيل النموذج مرتين بشروط أولية مختلفة وستحصل على نمط تداخل مختلف. لذا فإن فرص الحصول على أي شخص موجود بالفعل في مجرة العالم الحقيقي تجعل العدسة ضئيلة للغاية. بدلاً من ذلك ، قام فريق البحث بتشغيل 75 نموذجًا مختلفًا مع اختيار الشروط الأولية عشوائيًا. لحسن الحظ ، أحدث بعضها تشوهات مشابهة لتلك التي تظهر في بيانات العالم الحقيقي ، وعادة ما تؤثر فقط على واحدة من صور العدسة الأربع. وبالتالي ، استنتج الباحثون أن التشوهات في الصور العدسية تتفق مع هالة المادة المظلمة التي تتكون من التداخل الكمي للمحاور.
إذن ، هل هم حقا أكسيونات؟
إن مسح مجرة واحدة لن يكون أبداً بمثابة ضربة قاسية حاسمة لأي شيء ، وهناك عدة أسباب لتوخي الحذر الشديد هنا. من ناحية أخرى ، افترض الباحثون حول توزيع المادة العادية المرئية في المجرة ، والتي لها أيضًا تأثير الجاذبية. ويعتقد أن المجرات الإهليلجية هي نتيجة دمج المجرات الأصغر ، والتي يمكن أن تؤثر على توزيع المادة المظلمة بطرق دقيقة ويصعب اكتشافها من خلال تتبع توزيع المادة العادية.
أخيرًا ، لا يعمل هذا النوع من نموذج التداخل إلا مع محاور خفيفة للغاية – 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 بعبارة: “تحديد ما إذا كان [WIMP- or axion-based dark matter] إعادة إنتاج الملاحظات الفيزيائية الفلكية بشكل أفضل سيقلب التوازن نحو واحدة من فئتين متماثلتين من النظريات للفيزياء الجديدة. “لكن حذرهم ينزلق إلى الجملة الأخيرة من الملخص ، حيث يكتبون ،” القدرة على [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 ، يوجه التوازن نحو الفيزياء الجديدة التي تستدعي المحاور “.
سنرى ، بلا شك قريبًا ، ما إذا كان الفيزيائيون الذين كانوا وراء مؤلفي هذه الورقة ومراجعيها ومراجعيها يشاركوننا هذه المشاعر.
علم فلك الطبيعة ، 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (حول DOIs).
