Аксионы могут объяснить гравитационное линзирование

В больших масштабах множество свидетельств указывает на то, что она состоит из WIMP - слабо взаимодействующих массивных частиц. Но есть множество деталей, которые трудно объяснить с помощью WIMP, и десятилетия поисков таких частиц ничего не дали, а новая работа и вовсе хоронит этот тип частиц темной материи.

Как следует из их названия, WIMP должны вести себя как дискретные частицы, взаимодействующие друг с другом лишь через гравитацию. Напротив, аксионы должны взаимодействовать друг с другом посредством квантовой интерференции, создавая волнообразные паттерны в своей частоте по всей галактике.

Итак, в то время как частота WIMP должна плавно снижаться с удалением от ядра галактики, аксионы должны образовывать стоячую волну (технически, солитон), которая повышает их частоту вблизи ядра галактики. Дальше сложные интерференционные картины должны создавать области, где аксионов практически нет, и другие области, где они присутствуют с вдвое большей средней плотностью.

За некоторыми возможными исключениями, темная материя составляет большую часть массы галактик. Учитывая это, эти интерференционные картины должны приводить к неравномерному гравитационному притяжению из разных областей галактики.

Если различия между областями достаточно велики, это потенциально может проявиться как незначительные отклонения в ожидаемом поведении гравитационной линзы. Итак, объекты за галактикой все равно должны выглядеть как изображения в линзах; они просто могут иметь форму, отличную от ожидаемой, или находиться немного не в том положении.

Моделирование показывает, что эти отклонения достаточно малы, чтобы даже космический телескоп Хаббл не смог их зафиксировать. Но их можно было бы обнаружить на радиоволнах, объединив данные с широко разнесенных радиотелескопов в то, что по сути является одним гигантским телескопом. (Этот подход позволил телескопу Event Horizon создать изображение черной дыры).

И, по крайней мере, в одном случае, у нас есть такие данные. HS 0810 + 2554 — массивная эллиптическая галактика, которая находится между нами и активной черной дырой в ядре другой галактики. Гравитационная линза, созданная галактикой на переднем плане, создает четыре изображения активной галактики, на каждом из которых есть яркое галактическое ядро и две большие струи вещества, отходящие от него.

Можно сравнить расположение и искажения этих четырех изображений с тем, что мы ожидаем, основываясь на присутствии типичного гало темной материи в галактике переднего плана.

Это относительно просто сделать с помощью WIMP, поскольку мы ожидаем только одну закономерность: постепенное снижение уровня темной материи по мере удаления от ядра галактики.

Прогнозы линзирования, основанные на этом распределении, плохо согласуются с реальными данными о том, где отображаются изображения с линзами. Тем временем аксионы довольно хорошо описывают наблюдаемые закономерности.

Однако анализ отдельной галактики никогда не станет решающим доказательством чего-либо, и здесь есть несколько причин быть особенно осторожными. Во-первых, исследователи сделали некоторые предположения о распределении нормальной, видимой материи в галактике, которая также оказывает гравитационный эффект.

Считается, что эллиптические галактики являются результатом слияния галактик меньшего размера, что может влиять на распределение темной материи тонкими способами, которые трудно обнаружить, отслеживая распределение обычной материи.

Наконец, такого рода интерференционная картина работает только с чрезвычайно легкими аксионами — порядка 10 в -22 степени электронвольт. Для сравнения, сам электрон имеет массу около 500 000 электронвольт. Это потенциально сделало бы аксионы намного легче, чем даже нейтрино.