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!

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):

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:

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.

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:

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.

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.