Фізики вважають, що більша частина матерії у Всесвіті складається з невидимої речовини, про яку ми знаємо лише через її непрямий вплив на зірки та галактики, які ми можемо бачити.
Ми не божевільні! Без цієї «темної матерії» Всесвіт, яким ми його бачимо, не мав би сенсу.
Але природа темної матерії – це давня загадка. Однак нове дослідження Альфреда Амрута з Університету Гонконгу та його колег, опубліковане в Nature Astronomy, використовує гравітаційне викривлення світла, щоб наблизити нас до розуміння.
Причина, чому ми думаємо, що темна матерія існує, полягає в тому, що ми можемо бачити вплив її гравітації на поведінку галактик. Зокрема, темна матерія, здається, становить близько 85 відсотків маси Всесвіту, і більшість далеких галактик, які ми можемо бачити, здається, оточені ореолом загадкової речовини.
Але це називається темною матерією, оскільки вона не випромінює світло, не поглинає і не відбиває його, що робить її неймовірно важкою для виявлення.
Так що це за штука? Ми думаємо, що це має бути якась невідома фундаментальна частинка, але більше того ми не впевнені. Усі спроби виявити частинки темної матерії в лабораторних експериментах поки що провалилися, і фізики десятиліттями обговорюють її природу.
Вчені запропонували двох провідних гіпотетичних кандидатів на роль темної матерії: відносно важкі частинки, які називаються слабко взаємодіючими масивними частинками (або WIMP), і надзвичайно легкі частинки, які називаються аксіонами.
Теоретично WIMP поводилися б як дискретні частинки, тоді як аксіони через квантову інтерференцію поводилися б набагато більше як хвилі.
Було важко відрізнити ці дві можливості, але тепер світло, що обертається навколо далеких галактик, запропонувало підказку.
Коли світло, що мандрує Всесвітом, проходить повз масивний об’єкт, як-от галактика, його шлях вигинається, тому що – згідно із загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна – гравітація масивного об’єкта спотворює простір і час навколо себе.
У результаті іноді, дивлячись на віддалену галактику, ми можемо побачити спотворені зображення інших галактик позаду неї. І якщо все буде ідеально, світло від фонової галактики буде розмазано в коло навколо ближчої галактики.
Це викривлення світла називається «гравітаційним лінзуванням», а кола, які воно може створити, називаються «кільцями Ейнштейна».
Вивчаючи, як спотворюються кільця або інші зображення в лінзах, астрономи можуть дізнатися про властивості ореолу темної матерії, що оточує ближчу галактику.
І це саме те, що Амрут і його команда зробили в своєму новому дослідженні. Вони розглянули кілька систем, де кілька копій одного і того ж фонового об’єкта було видно навколо лінзованої галактики на передньому плані, з особливим акцентом на системі під назвою HS 0810+2554.
Використовуючи детальне моделювання, вони визначили, як спотворюватимуться зображення, якщо темна матерія буде складатися з WIMP, і як це буде, якщо темна матерія буде складатися з аксіонів. Модель WIMP була не дуже схожа на справжню, але модель axion точно відтворювала всі особливості системи.
Результат свідчить про те, що аксіони є більш вірогідним кандидатом на роль темної матерії, і їхня здатність пояснювати аномалії лінзування та інші астрофізичні спостереження викликає хвилювання вчених.
Нове дослідження ґрунтується на попередніх дослідженнях, які також вказали на аксіони як більш імовірну форму темної матерії.
Наприклад, одне дослідження розглядало вплив аксіонної темної матерії на космічний мікрохвильовий фон, а інше вивчало поведінку темної матерії в карликових галактиках.
Хоча це дослідження ще не завершить наукову дискусію про природу темної матерії, воно відкриває нові шляхи для тестування та експериментів. Наприклад, майбутні спостереження гравітаційних лінз можуть бути використані для дослідження хвилеподібної природи аксіонів і потенційного вимірювання їх маси.
Краще розуміння темної матерії матиме наслідки для того, що ми знаємо про фізику елементарних частинок і ранній Всесвіт. Це також може допомогти нам краще зрозуміти, як утворюються та змінюються галактики з часом.
