Vad är mörk materia gjord av? Det är en av de mest förvirrande frågorna i modern astronomi. Vi vet att mörk materia finns där ute, eftersom vi kan se dess uppenbara gravitationspåverkan på allt från galaxer till hela universumets utveckling, men vi vet inte vad det är. Vår bästa gissning är att det är någon slags konstig ny partikel som inte gillar att prata med normal materia väldigt ofta (annars skulle vi ha sett det nu). En möjlighet är att det är en exotisk hypotetisk typ av partikel känd som en axion, och ett team av astronomer använder ingen annan än svarta hål för att försöka få en inblick i denna konstiga nya kosmiska kriteraren.
Axion Agenda
Jag ska vara ärlig med dig, vi vet inte om axlar finns. De uppfanns för att förklara ett problem i fysik med hög energi. Det finns en viss typ av symmetri i naturen där om du tar en slumpmässig interaktion som involverar massor av subatomära partiklar och stänger av allas elektriska laddningar för motsatt tecken, och också kör processen i spegeln, får du exakt samma resultat. Detta kallas laddnings- och paritetssymmetri eller CP-symmetri för kort.
Denna symmetri gäller överallt i naturen, utom när den inte gör det, som i fallet med den svaga kärnkraften, som kan kränka denna symmetri när den känner sig som den.
Förhållandet är att den starka kärnkraften med alla rättigheter också bör kränka detta. Det finns termer i matematiken som mycket uppenbart bryter CP-symmetri, och ändå ser vi inga tecken på symmetri som bryter med den starka kärnkraften i något av våra experiment. Så något måste hända för att återställa denna symmetri när den borde brytas.
Svaret - eller åtminstone ett potentiellt svar - är en ny typ av partikel som kallas axionen. Axionen återställer en viss typ av balans i kraften (ja, jag är medveten om Star Wars-referensen här) så att CP-symmetri bevaras och alla kan göra sitt dagliga liv. Naturligtvis avslöjade experiment hittills inte direkt axionens existens, och det finns en rad möjliga massor och egenskaper som axionen kan ha.
Inom det intervall av möjliga tillåtna massor och egenskaper hos axionen inträffar något anmärkningsvärt. Om vi vill fylla universumet med mörk materia måste den mörka materien ha vissa egenskaper. Det kan inte interagera med normal materia väldigt ofta och det kan inte ens interagera med sig själv ofta heller. Det måste också finnas mycket av det, och det måste vara mycket stabilt och långlivat. Det visar sig att vissa av de möjliga axionsegenskaperna tillåter att den hypotetiska partikeln är en kandidat för den mörka materien.
The Dark Axions
Om vi låter axionen vara den mörka materien kan det generellt förklara alla vanliga observationer av mörk materia. Det kan förklara rotationskurvorna i galaxerna. Det kan förklara rörelserna för galaxer inom galaxklyngar. Det kan tillverkas i tillräckligt med överflöd i det tidiga universum för att passa observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Och så vidare.
Dessutom kan axioner i galaxernas kärnor buntas tillräckligt tätt för att bilda en enda massiv boll som till en början skulle rodna mycket som ett supermassivt svart hål. Det skulle vara litet, det skulle inte interagera med ljus, och det skulle vara oerhört massivt. Medan nyligen observerade observationer från Event Horizon Telescope gav oss en bokstavlig bild av ett gigantiskt svart hål i en annan galax, betyder det inte nödvändigtvis att utesluta att dessa axionkärnor fortfarande lurar i galaxernas djup över hela universum. Och det är med dessa möjliga axionkärnor som vi kanske kan ta hand om deras egenskaper.
Svarta hål är nyckeln
Förutom Event Horizon Telescope har vi inga direkta observationer av supermassiva svarta hål. Vi kan bara se materialet som virvlar runt och surrar omkring dem. Och utifrån det materialets egenskaper kan vi uppskatta storleken och massan på de svarta hålen. Med dessa tekniker har vi under årtionden upptäckt en mycket konstig relation: mer massiva galaxer är värd för mer massiva svarta hål i sina centra. Detta förhållande är faktiskt relativt snävt och det säger att svarta hål på något sätt utvecklades tillsammans med deras värdgalaxier.
Men som jag sa, vi kan inte se de svarta hålen direkt. Så de kanske inte är svarta hål alls. Det kan vara axionkärnor som gömmer sig i centrum för dessa galaxer. Om detta är fallet är det inte så att svarta hål samutvecklades med sina värdgalaxier, utan att axionkärnorna samutvecklades med sina värdgalaxier. Ju större galaxen, desto mer axion mörk materia kan den vara värd, och desto större är axionkärnan i mitten.
Det betyder att vi kan använda förhållandet mellan det centrala mörka objektet (oavsett om det är svarta hålet eller axionkärnan) och själva galaxen för att begränsa axionernas egenskaper. Detta fungerar eftersom om du börjar spela med axionpartikelmassan påverkar detta hur lätt du kan klumpa upp för att bilda en kärna, vilket kommer att förändra förhållandet till värdgalaxen.
Ett team av astronomer använde nyligen förhållandet mellan svarta hål och galaxer för att göra exakt detta och kunde placera några övre gränser på axionpartikelmassan, vilket kommer att hjälpa till att vägleda framtida experiment och direkta sökningar. Är axion ansvarig för den mörka materien i universum? Förhoppningsvis en dag kan vi belysa situationen.
Läs mer: “Axion core - halo mass and the black hole – halo mass relation: begränsningar på några parsec skalor”
