Soczewkowanie grawitacyjne pomaga wykryć ciemną materię

Zgodnie z najszerzej akceptowanym modelem kosmologicznym, większość masy w naszym Wszechświecie (około 85%) składa się z “ciemnej materii”. Teoretycznie ta nieuchwytna, niewidzialna masa oddziałuje z “normalną” (lub “widzialną”) materią wyłącznie poprzez grawitację, a nie pola elektromagnetyczne, ani nie absorbujące, ani nie emitujące światła (stąd nazwa “ciemność”). Trwają poszukiwania tej materii, a cząstki kandydujące, w tym słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP) lub ultralekkie bozony (aksjony), które znajdują się na przeciwległych krańcach skali masy i zachowują się zupełnie inaczej (w teorii).

Istnienie tej materii jest niezbędne, aby nasze dominujące teorie grawitacji (Ogólna Teoria Względności) i fizyka cząstek elementarnych (Model Standardowy) miały sens. W przeciwnym razie być może będziemy musieli radykalnie przemyśleć nasze teorie na temat tego, jak grawitacja zachowuje się w największej skali (aka. Zmodyfikowana grawitacja). Jednak według nowych badań prowadzonych przez University of Hong Kong (HKU), badanie “pierścieni Einsteina” może przybliżyć nas o krok do zrozumienia ciemnej materii. Według ich artykułu, sposób, w jaki ciemna materia zmienia krzywiznę czasoprzestrzeni, pozostawia sygnatury, które sugerują, że może składać się z aksjonów!

Dwanaście “Krzyży Einsteina” sfotografowanych przez Obserwatorium Gaia ESA. Źródło: The GraL Collaboration

Teorie dotyczące ciemnej materii pojawiły się w 1960 roku, aby wyjaśnić krzywą rotacji galaktyk, która nie wydawała się być zgodna z ilością widocznej materii, którą zawierały. Z biegiem czasu astronomowie i kosmologowie zauważyli, że najodleglejsze galaktyki we Wszechświecie (galaktyki tła) są otoczone “halo” tej materii. Te “halo ciemnej materii” zakrzywiają i wzmacniają światło wokół siebie – zjawisko znane jako soczewkowanie grawitacyjne – które wytwarza cechy znane jako “pierścienie Einsteina”, “krzyże Einsteina” i inne dziwne kształty i wzory.

Efekt ten jest przewidziany przez ogólną teorię względności Einsteina, w której obecność masywnych obiektów zmienia krzywiznę czasoprzestrzeni. Badając zniekształcone pierścienie lub inne soczewkowane obrazy, astrofizycy mają nadzieję dowiedzieć się więcej o właściwościach ciemnej materii. Jak wyjaśnił Amruth Universe Today za pośrednictwem poczty elektronicznej, on i jego koledzy starali się zbadać dominujące teorie na temat tego, jakie rodzaje cząstek stanowią ciemną materię (DM):

Obecnym paradygmatem DM są WIMP, które słabo oddziałują z masywnymi cząstkami, ale pomimo miliardów dolarów finansowania i dziesięcioleci poszukiwań w eksperymentach laboratoryjnych, żaden nie został wykryty. Powodem, dla którego wnioskujemy o istnieniu DM, jest to, że jeśli zaakceptujesz Ogólną Teorię Względności jako poprawną teorię grawitacji, to istnieją obserwacje astronomiczne, które wymagają DM. Niektóre z nich to rozproszenie prędkości gromad galaktyk, po raz pierwszy zaproponowane przez Fritza Zwicky’ego w 1930 roku, a ostatnio zjawisko soczewkowania grawitacyjnego.
Wiele obrazów tła utworzonego przez soczewkowanie grawitacyjne można zobaczyć w systemie HS 0810+2554. Źródło: NASA/ESA

W swoich badaniach Amruth i jego koledzy przyjrzeli się kilku systemom, w których soczewki grawitacyjne powodowały pojawianie się światła z odległych galaktyk w różnych miejscach. W szczególności zbadali HS 0810+2554, kwazar o poczwórnej soczewce, który wydaje się nam podobny do około 9 miliardów lat temu. Korzystając ze szczegółowego modelowania, obliczyli, w jaki sposób DM zniekształciłby światło z tego odległego kwazara w oparciu o dwie wiodące cząstki kandydujące. Amruth powiedział:

Długotrwałym problemem (od ponad dwóch dekad) w astronomii są tak zwane anomalie strumienia, w których jasności wielokrotnych soczewkowanych obrazów kwazara tła nie zgadzają się z przewidywaniami modelu o około 30% lub więcej! Po raz pierwszy rozważamy aksjonowy (lub falowy) DM, który składa się z bardzo lekkich cząstek, w przeciwieństwie do bardzo masywnych WIMP. Te ultralekkie cząstki mają bardzo unikalne właściwości, przewidziane po raz pierwszy w pełnej symulacji w 2014 roku.

Oprócz tego, że znajdują się na przeciwnych skrajnościach pod względem masy, uważa się, że WIMP i aksjony zachowują się w radykalnie odmienny sposób. Podczas gdy przewiduje się, że WIMP zachowują się jak cząstki dyskretne, teoretycznie aksjony zachowują się bardziej jak fale z powodu interferencji kwantowej. Opierając się na tych cechach, zespół przetestował, który kandydat wytwarza soczewki podobne do tych obserwowanych wokół HS 0810+2554 i innych galaktyk tła.

W naszym artykule po raz pierwszy używamy modeli ciemnej materii falowej, aby zapytać: “Jak inaczej wyglądałyby obserwacje soczewkowania, gdybyśmy użyli ultralekkich (aksjonów) zamiast ultramasywnych cząstek (WIMPS)?

Odkryliśmy, że fala DM może rzeczywiście odtwarzać anomalie obserwowane w obserwacjach soczewkowania, tj. jasności i pozycje obrazów z wieloma soczewkami, których nie można było wcześniej wyjaśnić za pomocą modeli WIMP.dodał Amruth.

Podczas gdy model WIMPs nie był zgodny z obserwacjami zespołu, model aksjonowy dokładnie odtworzył wszystkie obserwowane cechy tego systemu. Pokazując, że mogą wyjaśnić anomalie soczewkowania i inne zjawiska astrofizyczne, wyniki te mogą wzmocnić argumenty za aksjonami jako wiodącym kandydatem na ciemną materię. Chociaż badanie to nie zakończyło debaty na temat tego, jaką formę przyjmuje ciemna materia (WIMP lub aksjony) lub czy w ogóle istnieje, przedstawia nowe możliwości przyszłych testów i eksperymentów. Jak wyjaśnił Amruth:

Axions zyskuje coraz większą popularność jako silny rywal dla DM. Teraz nasza praca naprawdę pokazała, że trzeba poważnie rozważyć możliwość aksjonów, ponieważ modele WIMP po prostu nie mogą wyjaśnić anomalii soczewkowania, które zostały zaobserwowane. Najważniejsze jest to, że poddaliśmy Wave DM bardziej rygorystycznym testom, nad czym już pracujemy! Wkrótce ukaże się kolejny artykuł, który zbada efekty Wave DM w wyjaśnieniu anomalnych obserwacji pierwszej soczewkowanej supernowej typu Ia, stwierdzając, że rzeczywiście możemy wyjaśnić anomalie, podczas gdy modele WIMP nie mogą!

Wyniki te opierają się na wcześniejszych badaniach, które wskazywały na aksjony jako bardziej prawdopodobnego kandydata na ciemną materię. Obejmuje to badanie opublikowane w 2017 roku, w którym zespół meksykańskich i brytyjskich astrofizyków wykorzystał masę karłowatych galaktyk sferoidalnych (DSG) w pobliżu Drogi Mlecznej, aby wywnioskować obecność aksjonów. W 2018 roku badania prowadzone przez Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics pokazały, w jaki sposób światło z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB) może zostać wykorzystane do sondowania aksjonowej ciemnej materii.

Przykłady obrazów w soczewkach grawitacyjnych obserwowanych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Źródło: NASA/ESA/STSc/T.Treu/Judy Schmidt

Podobne badania zostały niedawno przeprowadzone przez Atacama Cosmology Telescope (ACT), który wykorzystał światło tła z CMB do stworzenia nowej mapy rozkładu ciemnej materii. Podczas gdy istnienie i natura ciemnej materii jest nieprzemijającą tajemnicą, teleskopy, instrumenty i obserwacje nowej generacji pomagają astronomom zawęzić poszukiwania. Wynikająca z tego poprawa naszego zrozumienia będzie miała ogromne implikacje dla kosmologii, fizyki cząstek elementarnych i naszego zrozumienia tego, jak powstał Wszechświat.