Hvad er mørkt stof lavet af? Det er et af de mest forvirrede spørgsmål om moderne astronomi. Vi ved, at mørk stof er derude, da vi kan se dens åbenlyse gravitationspåvirkning på alt fra galakser til hele universets udvikling, men vi ved ikke, hvad det er. Vores bedste gæt er, at det er en slags underlig ny partikel, som ikke ofte kan lide at tale med normal stof (ellers ville vi have set det nu). En mulighed er, at det er en eksotisk hypotetisk form for partikel kendt som en aksion, og et team af astronomer bruger intet andet end sorte huller for at prøve at få et indblik i denne underlige nye kosmiske kritiker.
Axion-dagsorden
Jeg vil være ærlig med dig, vi ved ikke, om der findes aksioner. De blev opfundet for at forklare et conundrum i fysik med høj energi. Der er en bestemt form for symmetri i naturen, hvor hvis du tager nogle tilfældige interaktioner, der involverer masser af subatomære partikler og skifter alles elektriske ladninger for det modsatte tegn, og også kører processen i spejlet, får du det nøjagtige samme resultat. Dette er kendt som ladnings- og paritetssymmetri eller CP-symmetri for kort.
Denne symmetri gælder overalt i naturen, undtagen når den ikke gør det, som for den svage atomkraft, der er i stand til at krænke denne symmetri, når det føles som den.
Forholdet er, at den stærke atomkraft med alle rettigheder også bør krænke dette. Der er termer i matematikken, der meget åbenlyst bryder CP-symmetri, og alligevel ser vi ikke nogen tegn på symmetri, der bryder med den stærke atomkraft i nogen af vores eksperimenter. Så noget skal ske for at gendanne denne symmetri, når den burde brydes.
Svaret - eller i det mindste et potentielt svar - er en ny type partikel kaldet aksionen. Axion gendanner en bestemt form for balance i styrken (ja, jeg er opmærksom på Star wars-referencen her), så CP-symmetrien bevares, og alle kan gå i deres daglige liv. Naturligvis har eksperimenter til dato ikke direkte afsløret eksistensen af aksien, og der er en række mulige masser og egenskaber, som aksionen kunne have.
Inden for dette interval af mulige tilladte masser og egenskaber ved aksionen, sker der noget bemærkelsesværdigt. Hvis vi ønsker at fylde universet med mørk stof, skal den mørke stof have visse egenskaber. Det kan ikke interagere med normal stof meget ofte, og det kan ikke engang interagere med sig selv meget ofte heller. Der skal også være meget af det, og det skal være meget stabilt og langvarigt. Det viser sig, at nogle af intervallet af mulige aksionsegenskaber tillader, at den hypotetiske partikel er en kandidat til det mørke stof.
The Dark Axions
Hvis vi lader aksionen være den mørke stof, kan det generelt forklare alle de sædvanlige observationer af mørke stoffer. Det kan forklare rotationskurverne inden i galakser. Det kan forklare galaksernes bevægelser inden for galakse-klynger. Det kan fremstilles i tilstrækkelig overflod i det tidlige univers til at passe til observationer af den kosmiske mikrobølgebakgrund. Og så videre.
Derudover kan akser i galakernes kerner bundle sig tæt nok til at danne en enkelt massiv kugle, der i første omgang ville rødme meget som et supermassivt sort hul. Det ville være lille, det ville ikke interagere med lys, og det ville være utroligt massivt. Selvom nylige observationer fra Event Horizon Telescope gav os et bogstaveligt billede af et kæmpe sort hul i en anden galakse, betyder det ikke nødvendigvis udelukkende, at disse aksionkerner stadig lurer i galaksernes dybder over hele universet. Og det er med disse mulige aksionkerner, vi muligvis kan få et greb om deres egenskaber.
Sorte huller er nøglen
Bortset fra Event Horizon Telescope har vi ingen direkte observationer af supermassive sorte huller. Vi kan kun se det materiale, der hvirvler rundt og siver rundt omkring dem. Og ud fra materialets egenskaber kan vi estimere størrelsen og massen af de sorte huller. Med disse teknikker har vi gennem årtier afsløret et meget mærkeligt forhold: mere massive galakser er vært for mere massive sorte huller i deres centre. Dette forhold er faktisk relativt stramt, og det fortæller os, at sorte huller på en eller anden måde co-udviklede sig med deres vært galakser.
Men som jeg sagde, vi kan ikke se de sorte huller direkte. Så de er måske slet ikke sorte huller. Det kan være aksionkerner, som gemmer sig i centrum af disse galakser. Hvis dette er tilfældet, er det ikke, at sorte huller co-udviklede sig med deres vært galakser, men at aksion kerner co-udviklet med deres vært galakser. Jo større galaksen er, jo mere aksion er mørk stof den kan være vært for, og jo større er aksionkernen i midten.
Det betyder, at vi kan bruge forholdet mellem det centrale mørke objekt (uanset om det er sort hul eller aksionkerne) og selve galaksen til at begrænse aksionernes egenskaber. Dette fungerer, fordi hvis du begynder at lege med aksionpartikelmassen, påvirker dette, hvor let du kan klumpe op for at danne en kerne, hvilket vil ændre forholdet til værtsgalaksen.
Et team af astronomer beskæftigede sig for nylig forholdet mellem sorte huller og galakser for at gøre nøjagtigt dette og var i stand til at placere nogle øvre grænser på aksionpartikelmassen, hvilket vil hjælpe med at guide fremtidige eksperimenter og direkte søgninger. Er aksien ansvarlig for det mørke stof i universet? Forhåbentlig en dag kan vi kaste lys over situationen.
Læs mere: “Axion core - halo mass and the black hole – halo masse relation: begrænsninger på et par parsec skalaer”
