Jahrzehnte nachdem klar ist, dass das sichtbare Universum auf einem Gerüst aus dunkler Materie aufgebaut ist, wissen wir immer noch nicht, was dunkle Materie eigentlich ist. Im großen Maßstab deutet eine Vielzahl von Hinweisen auf sogenannte WIMPs hin: schwach wechselwirkende massive Teilchen. Aber es gibt eine Vielzahl von Details, die bei WIMPs schwer zu erklären sind, und die jahrzehntelange Suche nach den Partikeln hat nichts ergeben, was die Menschen für die Idee offen lässt, dass etwas anderes als ein WIMP aus dunkler Materie besteht.

Einer der vielen Kandidaten ist ein sogenanntes Axion, ein krafttragendes Teilchen, das vorgeschlagen wurde, um ein Problem in einem nicht verwandten Bereich der Physik zu lösen. Sie sind viel leichter als WIMPs, haben aber andere Eigenschaften, die mit dunkler Materie übereinstimmen, die ein geringes Interesse an ihnen bewahrt hat. Nun argumentiert ein neues Papier, dass es Merkmale im Gravitationslinseneffekt (größtenteils ein Produkt dunkler Materie) gibt, die besser durch Axion-ähnliche Eigenschaften erklärt werden können.

Teilchen oder Welle?

Also, was ist ein Axion? Auf seiner einfachsten Ebene ist es ein sehr leichtes Teilchen ohne Spin und wirkt als Kraftträger. Sie wurden ursprünglich vorgeschlagen, um sicherzustellen, dass die Quantenchromodynamik, die das Verhalten der starken Kraft beschreibt, die Protonen und Neutronen aneinander bindet, die Erhaltung der Ladungsparität nicht bricht. Es wurde genug Arbeit geleistet, um sicherzustellen, dass Achsen mit anderen theoretischen Rahmenwerken kompatibel sind, und es wurde einige Forschung betrieben, um zu versuchen, sie herauszufinden. Aber Axionen haben sich als eine von mehreren möglichen Lösungen für ein Problem, von dem wir noch nicht herausgefunden haben, wie wir es lösen können, größtenteils abgeschwächt.

Sie haben jedoch als potenzielle Lösungen für dunkle Materie einiges Interesse geweckt. Aber das Verhalten der Dunklen Materie lässt sich am besten durch ein schweres Teilchen erklären – insbesondere ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen. Es wurde erwartet, dass die Axionen auf der leichteren Seite liegen und so leicht wie nahezu masselose Neutrinos sein könnten. Die Suche nach Axionen schließt tendenziell auch viele schwere Massen aus, was das Problem noch deutlicher macht.

Aber die Axionen können wieder auftauchen oder zumindest stationär bleiben, während die WIMPs sich dem Gesicht nähern. Es wurde eine Reihe von Detektoren gebaut, um zu versuchen, Indikatoren für schwache Wechselwirkungen für WIMPs zu identifizieren, und sie blieben leer. Wenn WIMPs Partikel des Standardmodells sind, können wir auf ihre Existenz basierend auf der Masse schließen, die in Partikelbeschleunigern verloren geht. Es wurden keine Beweise dafür gezeigt. Dies hat die Menschen dazu veranlasst, zu überdenken, ob WIMPs die beste Lösung für Dunkle Materie sind.

Auf kosmischer Ebene passen WIMPs weiterhin sehr gut zu den Daten. Aber sobald Sie auf die Ebenen einzelner Galaxien heruntergekommen sind, gibt es einige Anomalien, die nicht gut funktionieren, es sei denn, der Halo aus dunkler Materie, der eine Galaxie umgibt, hat eine komplexe Struktur. Ähnliche Dinge klingen wahr, wenn Sie versuchen, die Dunkle Materie einzelner Galaxien zu kartieren, basierend auf ihrer Fähigkeit, eine Gravitationslinse zu schaffen, die den Raum verzerrt, sodass Hintergrundobjekte vergrößert und verzerrt werden.

Die neue Arbeit versucht, diese potenziellen Anomalien mit dem Unterschied zwischen den Eigenschaften von WIMPS und Axionen in Beziehung zu setzen. Wie der Name schon sagt, müssen sich WIMPs wie diskrete Partikel verhalten, die fast ausschließlich durch die Schwerkraft interagieren. Im Gegensatz dazu müssen Axionen durch Quanteninterferenz miteinander interagieren, was wellenartige Muster in ihrer Frequenz in der gesamten Galaxie erzeugt. Während also die Frequenz von WIMPs mit der Entfernung vom galaktischen Kern sanft abnehmen sollte, sollten die Axionen eine stehende Welle (technisch gesehen ein Soliton) bilden, die ihre Frequenz in der Nähe des galaktischen Kerns erhöht. Darüber hinaus sollten komplexe Interferenzmuster Bereiche erzeugen, in denen Achsen im Wesentlichen fehlen, und andere Bereiche, in denen sie mit der doppelten durchschnittlichen Intensität vorhanden sind.

Schwer zu lokalisieren

Mit wenigen möglichen Ausnahmen macht Dunkle Materie den Großteil der Masse einer Galaxie aus. Angesichts dessen müssen diese Interferenzmuster dazu führen, dass die Gravitationskraft aus verschiedenen Regionen der Galaxie ungleichmäßig ist. Wenn die Unterschiede zwischen den Regionen groß genug sind, wird sich dies wahrscheinlich in geringfügigen Abweichungen im erwarteten Verhalten des Gravitationslinseneffekts äußern. Daher müssen Objekte hinter der Galaxie immer noch als Linsenbilder erscheinen; Es kann sein, dass es nicht so geformt wird, wie wir es erwarten, oder genau an der Stelle, an der wir es erwarten.

Die Modellierung zeigt, dass diese Aberrationen klein genug sind, dass nicht einmal das Hubble-Weltraumteleskop sie erfassen konnte. Aber es könnte möglich sein, sie bei Radiowellenlängen zu entdecken, indem Daten von weit voneinander entfernten Radioteleskopen zu einem einzigen riesigen Teleskop zusammengeführt werden. (Dieser Ansatz ermöglichte es dem Event Horizon Telescope, ein Bild eines Schwarzen Lochs zu erstellen.)

Und in mindestens einem Fall haben wir diese Daten. HS 0810+2554 ist eine massive elliptische Galaxie, die zwischen uns und einem aktiven Schwarzen Loch im Herzen einer anderen Galaxie liegt. Gravitationslinsen, die von der Vordergrundgalaxie erzeugt werden, erzeugen vier Bilder der aktiven Galaxie, jedes mit einem hellen galaktischen Kern und zwei großen Materialstrahlen, die sich von ihm aus erstrecken. Es ist möglich, die Position und Verzerrung dieser vier Bilder mit dem zu vergleichen, was wir aufgrund des Vorhandenseins eines typischen Halos aus dunkler Materie in der Vordergrundgalaxie erwarten würden.

Mit WIMPs ist es relativ einfach, da es nur ein Muster gibt, das wir erwarten würden: ein allmähliches Absinken der Dunkle-Materie-Konzentration, wenn man sich vom galaktischen Kern entfernt. Objektivvorhersagen, die auf dieser Verteilung basieren, sind schlecht darin, reale Daten darüber abzugleichen, wo Bilder auf Objektivlinsen erscheinen.

Die Herausforderung besteht darin, dieselbe Analyse basierend auf den Interferenzmustern chaotischer Axionen durchzuführen: Lassen Sie das Modell zweimal mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen laufen, und Sie erhalten ein anderes Interferenzmuster. Die Chancen, dass tatsächlich diejenigen in der realen Galaxie die Linsen machen, sind also ziemlich gering. Stattdessen ließ das Forschungsteam 75 verschiedene Modelle mit zufällig ausgewählten Anfangsbedingungen laufen. Aus Versehen habe ich einige dieser Verzerrungen ähnlich denen in realen Daten erzeugt, die normalerweise nur eines der vier Bilder mit einem Objektiv betreffen. Daher kamen die Forscher zu dem Schluss, dass die Verzerrungen in den Linsenbildern mit einem Halo aus dunkler Materie übereinstimmen, der durch Quanteninterferenz von Axionen gebildet wird.

Also, sind sie wirklich Axionen?

Die Analyse einer einzelnen Galaxie wird kein kritischer Stich in irgendetwas sein, und es gibt viele Gründe, hier vorsichtiger zu sein. Beispielsweise haben Forscher einige Annahmen über die Verteilung gewöhnlicher und sichtbarer Materie in der Galaxie getroffen, die auch einen Einfluss auf die Gravitation hat. Es wird angenommen, dass elliptische Galaxien das Ergebnis von Verschmelzungen kleinerer Galaxien sind, die die Verteilung der Dunklen Materie auf subtile Weise beeinflussen können, die schwer zu erkennen ist, indem man die Verteilung der normalen Materie verfolgt.

Schließlich funktioniert diese Art von überlappendem Muster nur für ungewöhnlich leichte Achsen – in der Größenordnung von 10^-22 Elektronenvolt. Im Gegensatz dazu beträgt die Masse des Elektrons selbst etwa 500.000 Elektronenvolt. Dies würde Axionen viel leichter machen als sogar Neutrinos.

Die Autoren des neuen Papiers selbst sind in Bezug auf die Beweise hier meist zurückhaltend und schließen ihr Papier mit dem Satz: „Stellen Sie fest, ob [WIMP- or axion-based dark matter] Eine bessere Reproduktion der astrophysikalischen Beobachtungen würde die Waage hin zu einer der beiden ähnlichen Klassen von Theorien der neuen Physik kippen. Aber ihre Vorsicht rutscht im letzten Satz der Zusammenfassung ab, wo sie „Fähigkeit“ schreiben. [axion-based dark matter] Die Auflösung von Linsenanomalien selbst in schwierigen Fällen wie HS 0810+2554, zusammen mit seinem Erfolg bei der Reproduktion anderer astrophysikalischer Beobachtungen, kippt das Gleichgewicht in Richtung neuer physikalischer Achsen. „

Wir werden zweifellos bald sehen, ob Physiker diese Ansichten über die Autoren und Peer-Reviewer dieser Veröffentlichung hinaus teilen.

Natürliche Astronomie, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (über DOIs).