¡Sin debiluchos! Las partículas pesadas no explican las anomalías gravitacionales lenticulares – Ars Technica

Décadas después de que quedó claro que el universo visible está construido sobre un marco de materia oscura, todavía no sabemos qué es realmente la materia oscura. A gran escala, una variedad de evidencia apunta a los llamados WIMP: partículas masivas que interactúan débilmente. Pero hay una variedad de detalles que son difíciles de explicar con los WIMP, y décadas de búsqueda de las partículas no arrojaron nada, dejando a la gente abierta a la idea de que algo más que un WIMP está hecho de materia oscura.

Uno de los muchos candidatos es algo llamado axión, una partícula portadora de fuerza que se ha propuesto para resolver un problema en un área no relacionada de la física. Son mucho más ligeros que los WIMP pero tienen otras propiedades consistentes con la materia oscura, que han mantenido un bajo nivel de interés en ellos. Ahora, un nuevo artículo argumenta que hay características en las lentes gravitatorias (en gran parte un producto de la materia oscura) que pueden explicarse mejor por las propiedades similares a las de los axiones.

¿partícula u onda?

Entonces, ¿qué es un axión? En su nivel más simple, es una partícula muy ligera sin giro y actúa como portador de fuerza. Se propusieron originalmente para garantizar que la cromodinámica cuántica, que describe el comportamiento de la fuerza fuerte que une los protones y los neutrones, no rompa la conservación de la paridad de carga. Se ha trabajado lo suficiente para garantizar que los ejes sean compatibles con otros marcos teóricos, y se han realizado algunas investigaciones para tratar de resolverlos. Pero los axiones se han debilitado en su mayoría como una de las posibles soluciones a un problema que aún no hemos descubierto cómo resolver.

Sin embargo, han atraído cierto interés como posibles soluciones de materia oscura. Pero el comportamiento de la materia oscura se explica mejor por una partícula pesada, específicamente una partícula masiva de interacción débil. Se esperaba que los axiones fueran más ligeros y pudieran ser tan ligeros como los neutrinos casi sin masa. Las búsquedas en axiones tienden a excluir también muchas masas pesadas, lo que hace que el problema sea aún más obvio.

Pero los axiones pueden reaparecer, o al menos permanecer estacionarios mientras los WIMP se colocan boca abajo. Ha habido una serie de detectores construidos para tratar de identificar indicadores de interacciones débiles para WIMP, y quedaron vacíos. Si los WIMP son partículas del modelo estándar, podemos inferir su existencia en función de la masa perdida en los colisionadores de partículas. No se ha mostrado evidencia de esto. Esto ha llevado a la gente a reconsiderar si los WIMP son la mejor solución para la materia oscura.

En escalas cósmicas, los WIMP continúan ajustando muy bien los datos. Pero una vez que llegas a los niveles de galaxias individuales, hay algunas anomalías que no funcionan bien a menos que el halo de materia oscura que rodea una galaxia tenga una estructura compleja. Cosas similares suenan ciertas cuando intentas mapear la materia oscura de galaxias individuales en función de su capacidad para crear una lente gravitatoria que deforma el espacio para que magnifique y distorsione los objetos de fondo.

El nuevo trabajo intenta relacionar estas anomalías potenciales con la diferencia entre las propiedades de WIMPS y los axiones. Como sugiere su nombre, los WIMP deben comportarse como partículas discretas, interactuando casi en su totalidad a través de la gravedad. Por el contrario, los axiones deben interactuar entre sí a través de la interferencia cuántica, lo que crea patrones similares a ondas en su frecuencia en toda la galaxia. Entonces, mientras que la frecuencia de los WIMP debería disminuir suavemente con la distancia desde el núcleo galáctico, los axiones deberían formar una onda estacionaria (técnicamente, un solitón) que aumenta su frecuencia cerca del núcleo galáctico. Más allá de esto, los patrones de interferencia complejos deberían crear regiones donde los ejes están esencialmente ausentes y otras regiones donde están presentes al doble de la intensidad promedio.

Difícil de localizar

Con algunas posibles excepciones, la materia oscura constituye la mayor parte de la masa de una galaxia. Dado esto, estos patrones de interferencia deben causar que la atracción gravitacional de las diferentes regiones de la galaxia sea desigual. Si las diferencias entre las regiones son lo suficientemente grandes, es probable que esto se manifieste como ligeras desviaciones en el comportamiento esperado de las lentes gravitacionales. Por lo tanto, los objetos detrás de la galaxia aún deben aparecer como imágenes lenticulares; Es posible que no se forme de la manera que esperamos o exactamente en el lugar que esperamos que sea.

El modelado indica que estas aberraciones son lo suficientemente pequeñas como para que ni siquiera el telescopio espacial Hubble haya podido capturarlas. Pero puede ser posible detectarlos en longitudes de onda de radio fusionando datos de radiotelescopios muy separados en lo que es esencialmente un telescopio gigante. (Este enfoque permitió que el Event Horizon Telescope creara una imagen de un agujero negro).

Y en al menos un caso, tenemos esos datos. HS 0810+2554 es una galaxia elíptica masiva que se encuentra entre nosotros y un agujero negro activo en el corazón de otra galaxia. La lente gravitatoria creada por la galaxia en primer plano crea cuatro imágenes de la galaxia activa, cada una con un núcleo galáctico brillante y dos grandes chorros de material que se extienden desde él. Es posible comparar la ubicación y la distorsión de estas cuatro imágenes con lo que esperaríamos en función de la presencia de un halo de materia oscura típico en la galaxia de primer plano.

Es algo relativamente simple de hacer con los WIMP, ya que solo hay un patrón que esperaríamos: una caída gradual en los niveles de materia oscura a medida que te alejas del núcleo galáctico. Las predicciones de lentes basadas en esta distribución hacen un mal trabajo al hacer coincidir los datos del mundo real de dónde aparecen las imágenes con los lentes de las lentes.

El desafío es realizar el mismo análisis basado en los patrones de interferencia de los axiones caóticos: ejecute el modelo dos veces con diferentes condiciones iniciales y obtendrá un patrón de interferencia diferente. Entonces, las probabilidades de que los que están en la galaxia del mundo real hagan las lentes son bastante escasas. En cambio, el equipo de investigación ejecutó 75 modelos diferentes con condiciones iniciales elegidas al azar. Por accidente, creé algunas de estas distorsiones similares a las que se ven en los datos del mundo real, que generalmente afectan solo a una de las cuatro imágenes con una lente. Por lo tanto, los investigadores concluyeron que las distorsiones en las imágenes lenticulares son consistentes con un halo de materia oscura formado por la interferencia cuántica de los axiones.

Entonces, ¿son realmente axiones?

Analizar una sola galaxia no va a ser un golpe crítico en nada, y hay muchas razones para tener más cuidado aquí. Por ejemplo, los investigadores han hecho algunas suposiciones sobre la distribución de la materia ordinaria y visible en la galaxia, que también tiene una influencia gravitacional. Se cree que las galaxias elípticas son el resultado de fusiones de galaxias más pequeñas, lo que puede afectar la distribución de la materia oscura de formas sutiles que son difíciles de detectar rastreando la distribución de la materia normal.

Finalmente, este tipo de patrón superpuesto solo funciona para ejes inusualmente ligeros, del orden de 10^-22 electrón voltio. Por el contrario, la masa del electrón en sí es de unos 500.000 electronvoltios. Esto haría que los axiones fueran mucho más ligeros incluso que los neutrinos.

Los propios autores del nuevo artículo son en su mayoría cautelosos acerca de la evidencia aquí, y concluyen su artículo con la oración: “Determinar si [WIMP- or axion-based dark matter] Reproducir mejor las observaciones astrofísicas inclinaría la balanza hacia una de las dos clases similares de teorías de la nueva física. Pero su cautela se desliza en la última oración del resumen, donde escriben “Habilidad”. [axion-based dark matter] La resolución de las anomalías de la lente incluso en casos desafiantes como HS 0810+2554, junto con su éxito en la reproducción de otras observaciones astrofísicas, inclinan la balanza hacia nuevos ejes de invocación física. “

Veremos, sin duda pronto, si los físicos comparten estos sentimientos más allá de los autores y revisores pares de este artículo.

Astronomía Natural, 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (sobre los DOI).