O nouă privire asupra „inelelor lui Einstein” din jurul galaxiilor îndepărtate ne-a adus mai aproape de rezolvarea dezbaterii despre materia întunecată

Fizicienii cred că cea mai mare parte a materiei din univers este alcătuită din materie invizibilă despre care știm doar prin efectele sale indirecte asupra stelelor și galaxiilor pe care le putem vedea.

Nu suntem nebuni! Fără această „materie întunecată”, universul așa cum îl vedem nu ar avea sens.

Dar natura materiei întunecate este un mister străvechi. dar, Studiu nou Scrisă de Alfred Amroth de la Universitatea din Hong Kong și de colegi, publicat în astronomie naturalăfolosește curbarea gravitațională a luminii pentru a ne aduce cu un pas mai aproape de înțelegere.

Invizibil dar omniprezent

Motivul pentru care credem că există materia întunecată este pentru că îi putem vedea efectele gravitaționale asupra comportamentului galaxiilor. Mai exact, materia întunecată pare să alcătuiască aproximativ 85% din masa universului, iar majoritatea galaxiilor îndepărtate pe care le putem vedea par a fi înconjurate de un halou de materie misterioasă.

Dar se numește materie întunecată pentru că nu emite, absoarbe sau reflectă lumina, ceea ce o face foarte dificil de detectat.

Deci care sunt aceste lucruri? Credem că trebuie să fie un fel de particulă fundamentală necunoscută, dar încă nu suntem siguri. Toate încercările de a detecta particulele de materie întunecată în experimentele de laborator au eșuat până acum, iar fizicienii au dezbătut natura lor de zeci de ani.

Oamenii de știință au propus doi candidați ipotetici principali pentru materia întunecată: caractere relativ grele numite particule masive care interacționează slab (sau WIMP) și particule extrem de ușoare numite axioni. În teorie, WIMP-urile se comportă ca niște particule discrete, în timp ce axioanele se comportă mult ca undele din cauza interferenței cuantice.

A fost dificil să se facă distincția între aceste două posibilități – dar o mică ocolire în jurul galaxiilor îndepărtate a oferit un indiciu.

Lentile gravitaționale și inele Einstein

Când lumina trece prin univers printr-un obiect masiv, cum ar fi o galaxie, calea sa este curbă deoarece – conform teoriei relativității generale a lui Albert Einstein – gravitația obiectului masiv distorsionează spațiul și timpul din jurul său.

Drept urmare, uneori, când privim o galaxie îndepărtată, putem vedea imagini distorsionate ale altor galaxii din spatele ei. Și dacă lucrurile se aliniază perfect, lumina din galaxia de fundal se va înconjura în jurul celei mai apropiate galaxii.

Această distorsiune a luminii se numește „lentilă gravitațională”, iar cercurile pe care le poate crea sunt numite „bucle Einstein”.

Studiind modul în care inelele sau alte imagini lenticulare se distorsionează, astronomii pot afla despre proprietățile haloului materiei întunecate din jurul celei mai apropiate galaxii.

Axions vs. WIMP-uri

Și exact asta au făcut Amroth și echipa sa în noul lor studiu. Ei s-au uitat la mai multe sisteme în care mai multe copii ale aceluiași obiect erau vizibile în fundal în jurul galaxiei lentile din prim-plan, cu un accent deosebit pe un sistem numit HS 0810+2554.

Folosind modelarea detaliată, ei au descoperit cum s-ar distorsiona imaginile dacă materia întunecată ar fi făcută din WIMP-uri față de cum ar fi dacă materia întunecată ar fi făcută din axioni. Modelul WIMP nu semăna prea mult cu cel real, dar modelul axion a reprodus cu exactitate toate caracteristicile sistemului.

Descoperirea indică faptul că axionii sunt un candidat mai probabil pentru materia întunecată, iar capacitatea lor de a explica anomaliile lentilelor și alte observații astrofizice irită oamenii de știință.

particule și galaxii

Noua cercetare se bazează pe studii anterioare care au indicat, de asemenea, că axioanele sunt cea mai probabilă formă de materie întunecată. De exemplu, un studiu s-a uitat la efectele materiei întunecate axionale asupra fundalului cosmic cu microunde, în timp ce ultimul Examinând comportamentul materiei întunecate în galaxiile pitice.

Deși această cercetare nu va pune capăt dezbaterii științifice despre natura materiei întunecate, ea deschide noi căi de testare și experimentare. De exemplu, observațiile viitoare ale lentilelor gravitaționale ar putea fi folosite pentru a sonda natura ondulatorie a axonilor și, eventual, pentru a măsura masa lor.

O mai bună înțelegere a materiei întunecate va avea implicații pentru ceea ce știm despre fizica particulelor și universul timpuriu. De asemenea, ne poate ajuta să înțelegem mai bine cum se formează și se schimbă galaxiile în timp.