Jahrzehnte nachdem klar wurde, dass das sichtbare Universum auf einem Gerüst aus dunkler Materie aufgebaut ist, wissen wir immer noch nicht, was dunkle Materie eigentlich ist. Im großen Maßstab deutet eine Vielzahl von Beweisen auf sogenannte WIMPs hin: schwach wechselwirkende massive Teilchen. Aber es gibt eine Vielzahl von Details, die mit WIMPs schwer zu erklären sind, und die jahrzehntelange Suche nach den Partikeln hat nichts ergeben, so dass die Menschen offen für die Idee sind, dass etwas anderes als ein WIMP dunkle Materie enthält.
Einer der vielen Kandidaten ist ein sogenanntes Axion, ein krafttragendes Teilchen, das vorgeschlagen wurde, um ein Problem in einem nicht verwandten Bereich der Physik zu lösen. Sie sind viel leichter als WIMPs, haben aber andere Eigenschaften, die mit dunkler Materie übereinstimmen, die ein anhaltend geringes Interesse an ihnen hat. Nun argumentiert ein neues Papier, dass es Merkmale in einer Gravitationslinse gibt (größtenteils das Produkt dunkler Materie), die am besten durch Axion-ähnliche Eigenschaften erklärt werden können.
Teilchen oder Welle?
Also, was ist ein Axion? Auf der einfachsten Ebene ist es ein extrem leichtes Teilchen ohne Spin, das als Kraftträger fungiert. Sie wurden ursprünglich vorgeschlagen, um sicherzustellen, dass die Quantenchromodynamik, die das Verhalten der starken Kraft beschreibt, die Protonen und Neutronen zusammenhält, die Erhaltung der Ladungsparität nicht bricht. Es wurde genügend Arbeit geleistet, um sicherzustellen, dass Axionen mit anderen theoretischen Rahmen kompatibel sind, und es wurden einige Suchen durchgeführt, um zu versuchen, sie zu entdecken. Aber Axionen haben meistens als eine von mehreren möglichen Lösungen für ein Problem gelitten, für das wir noch keine Lösung gefunden haben.
Sie haben jedoch als potenzielle Lösungen für Dunkle Materie Aufmerksamkeit erregt. Aber das Verhalten der Dunklen Materie ließ sich besser durch ein schweres Teilchen erklären – insbesondere ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen. Von Axionen wurde erwartet, dass sie auf der leichteren Seite liegen und möglicherweise so leicht sein könnten wie das nahezu masselose Neutrino. Die Suche nach Axionen schloss tendenziell auch viele der schwereren Massen aus, was das Problem noch deutlicher machte.
Aber Axionen könnten ein Comeback feiern oder sich zumindest stabil halten, während WIMPs Faceplanting durchführen. Es wurde eine Reihe von Detektoren gebaut, um zu versuchen, Hinweise auf die schwachen Wechselwirkungen von WIMPs zu erfassen, und sie sind leer ausgegangen. Wenn WIMPs Partikel des Standardmodells sind, hätten wir auf ihre Anwesenheit basierend auf der fehlenden Masse in Partikelbeschleunigern schließen können. Beweise dafür liegen nicht vor. Das hat die Leute dazu veranlasst, erneut zu prüfen, ob WIMPs die beste Lösung für dunkle Materie sind.
Auf kosmologischen Maßstäben passen WIMPs weiterhin sehr gut zu den Daten. Aber sobald Sie auf die Ebenen einzelner Galaxien heruntergekommen sind, gibt es einige Kuriositäten, die nicht so gut funktionieren, es sei denn, der Halo aus dunkler Materie, der eine Galaxie umgibt, hat eine komplizierte Struktur. Ähnliche Dinge scheinen wahr zu sein, wenn man versucht, die dunkle Materie einzelner Galaxien auf der Grundlage ihrer Fähigkeit abzubilden, eine Gravitationslinse zu erzeugen, die den Raum verzerrt, sodass Hintergrundobjekte vergrößert und verzerrt werden.
WIMP-basierte Dunkle Materie, links modelliert, führt zu einer gleichmäßigen Verteilung von hoch (rot) nach niedrig (blau), je weiter man sich vom Kern einer Galaxie entfernt. Bei Axionen (rechts) erzeugt die Quanteninterferenz ein viel unregelmäßigeres Muster.
Amrut, et. Al.
Die neue Arbeit versucht, diese potenziellen Kuriositäten mit einem Unterschied zwischen den Eigenschaften von WIMPS und Axionen in Verbindung zu bringen. Wie ihr Name schon sagt, sollten sich WIMPs wie diskrete Partikel verhalten, die fast ausschließlich durch Schwerkraft interagieren. Im Gegensatz dazu sollten Axionen durch Quanteninterferenz miteinander interagieren und in ihrer Frequenz wellenartige Muster in einer Galaxie erzeugen. Während also die Frequenz von WIMPs mit der Entfernung vom Kern einer Galaxie sanft abnehmen sollte, sollten Axionen eine stehende Welle (technisch gesehen ein Soliton) bilden, die ihre Frequenz in der Nähe des galaktischen Kerns erhöht. Weiter draußen sollten komplexe Interferenzmuster Bereiche erzeugen, in denen im Wesentlichen keine Axionen vorhanden sind, und andere Bereiche, in denen sie mit der doppelten durchschnittlichen Dichte vorhanden sind.
Schwer zu erkennen
Mit einigen möglichen Ausnahmen macht Dunkle Materie den Großteil der Masse einer Galaxie aus. Angesichts dessen sollten diese Interferenzmuster dazu führen, dass die Anziehungskraft von verschiedenen Bereichen der Galaxie ungleichmäßig ist. Wenn die Unterschiede zwischen den Regionen groß genug sind, könnte sich dies möglicherweise als geringfügige Abweichungen im erwarteten Verhalten des Gravitationslinseneffekts zeigen. Objekte hinter einer Galaxie sollten also immer noch als Linsenbilder erscheinen; Sie sind möglicherweise nicht so geformt, wie wir es erwarten würden, oder an genau der Stelle, die wir vorhersagen würden.
Die Modellierung zeigt, dass diese Abweichungen klein genug sind, dass selbst das Hubble-Weltraumteleskop sie nicht erfassen könnte. Aber es könnte möglich sein, sie bei Radiowellenlängen zu entdecken, indem man die Daten von weit voneinander entfernten Radioteleskopen zu einem einzigen, riesigen Teleskop kombiniert. (Dieser Ansatz ermöglichte es dem Event Horizon Telescope, ein Bild eines Schwarzen Lochs zu erstellen.)
Und in mindestens einem Fall haben wir diese Daten. HS 0810+2554 ist eine massive elliptische Galaxie, die zwischen uns und einem aktiven Schwarzen Loch im Kern einer anderen Galaxie sitzt. Die von der Galaxie im Vordergrund erzeugte Gravitationslinse erzeugt vier Bilder der aktiven Galaxie, jedes mit einem hellen galaktischen Kern und zwei großen Materialstrahlen, die sich von ihm aus erstrecken. Es ist möglich, die Position und Verzerrung dieser vier Bilder mit dem zu vergleichen, was wir aufgrund des Vorhandenseins eines typischen Halos aus dunkler Materie in der Vordergrundgalaxie erwarten würden.
Es ist eine relativ einfache Sache mit den WIMPs, da es nur ein Muster gibt, das wir erwarten würden: den allmählichen Abfall der Dunkle-Materie-Niveaus, wenn man sich vom galaktischen Kern entfernt. Die Linsenvorhersagen, die auf dieser Verteilung basieren, passen nur schlecht zu den realen Daten, wo die Linsenbilder erscheinen.
Die Herausforderung besteht darin, dieselbe Analyse basierend auf Axion-Interferenzmustern durchzuführen, die chaotisch sind: Lassen Sie das Modell zweimal mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen laufen, und Sie erhalten ein anderes Interferenzmuster. Daher sind die Chancen, denjenigen zu bekommen, der tatsächlich in der realen Galaxie vorhanden ist, der die Linse macht, ziemlich gering. Stattdessen führte das Forschungsteam 75 verschiedene Modelle mit willkürlich gewählten Anfangsbedingungen durch. Zufällig erzeugten einige davon Verzerrungen, die denen in den realen Daten ähnelten und typischerweise nur eines der vier Linsenbilder betrafen. Die Forscher schlussfolgern also, dass die Verzerrungen in den Linsenbildern mit einem Halo aus dunkler Materie übereinstimmen, der durch die Quanteninterferenz von Axionen strukturiert ist.
Ist es also wirklich Axion?
Die Analyse einer einzelnen Galaxie wird niemals ein entscheidender Slam Dunk für irgendetwas sein, und es gibt mehrere Gründe, hier besonders vorsichtig zu sein. Zum einen machten die Forscher einige Annahmen über die Verteilung normaler, sichtbarer Materie in einer Galaxie, die auch eine Gravitationswirkung ausübt. Und es wird angenommen, dass elliptische Galaxien das Ergebnis der Verschmelzung kleinerer Galaxien sind, die die Verteilung der Dunklen Materie auf subtile Weise beeinflussen könnten, die schwer zu erkennen ist, indem man die Verteilung der normalen Materie verfolgt.
Schließlich funktioniert diese Art von Interferenzmuster nur mit außergewöhnlich leichten Axionen – in der Größenordnung von 10-22 ElektronVolt. Im Gegensatz dazu hat das Elektron selbst eine Masse von etwa 500.000 Elektronenvolt. Dies würde die Axionen potenziell viel leichter als sogar Neutrinos machen.
Und die Autoren des neuen Papiers selbst sind mit der Evidenzlage hier meist zurückhaltend und schließen ihr Papier mit dem Satz: „Feststellen, ob [WIMP- or axion-based dark matter] astrophysikalische Beobachtungen besser zu reproduzieren, wird das Gleichgewicht zu einer der beiden entsprechenden Klassen von Theorien für die neue Physik kippen.” Aber ihre Vorsicht gleitet im letzten Satz der Zusammenfassung ab, wo sie schreiben: “Die Fähigkeit von [axion-based dark matter] Linsenanomalien selbst in anspruchsvollen Fällen wie HS 0810 + 2554 aufzulösen, zusammen mit seinem Erfolg bei der Reproduktion anderer astrophysikalischer Beobachtungen, kippen das Gleichgewicht in Richtung einer neuen Physik, die Axionen hervorruft.
Wir werden zweifellos in Kürze sehen, ob diese Meinung von den Physikern hinter den Autoren und Peer-Reviewern dieses Artikels geteilt wird.
Nature Astronomy, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (Über DOIs).