Z čeho je tmavá hmota vyrobena? Je to jedna z nejzložitějších otázek moderní astronomie. Víme, že temná hmota je venku, protože vidíme její zřejmý gravitační vliv na vše od galaxií po vývoj celého vesmíru, ale nevíme, co to je. Náš nejlepší odhad je, že je to nějaká podivná nová částice, která neradi mluví s normální hmotou velmi často (jinak bychom ji už viděli). Jednou z možností je, že se jedná o exotický hypotetický druh částic známý jako axion a tým astronomů nepoužívá žádné jiné než černé díry, aby se pokusil nahlédnout do tohoto podivného nového kosmického tvora.
Agion Axion
Budu k tobě upřímný, nevíme, jestli existují axiony. Byli vynalezeni, aby vysvětlili hlavolam ve fyzice s vysokou energií. V přírodě existuje určitý druh symetrie, pokud přijmete-li nějakou náhodnou interakci zahrnující mnoho subatomárních částic a vypnete všechny elektrické náboje pro opačné znaménko a také spustíte proces v zrcadle, získáte přesně stejný výsledek. Toto je známé jako symetrie náboje a parity nebo zkráceně symetrie CP.
Tato symetrie platí všude v přírodě, s výjimkou případů, kdy tomu tak není, jako v případě slabé jaderné síly, která je schopna tuto symetrii narušit, kdykoli se jí to líbí.
Hádanka je, že podle všech práv by to měla silná jaderná síla také porušit. V matematice jsou termíny, které velmi zřetelně narušují symetrii CP, a přesto v žádném z našich experimentů nevidíme žádné známky porušení symetrie se silnou jadernou silou. Musí se tedy něco obnovit, aby se tato symetrie obnovila, když by měla být porušena.
Odpověď - nebo alespoň jedna potenciální odpověď - je nový druh částice nazývaný axion. Axion obnovuje určitou rovnováhu v síle (ano, vím o odkazu na Hvězdné války zde), aby byla zachována symetrie CP a každý mohl jít o svůj každodenní život. Dosavadní experimenty samozřejmě přímo neodhalily existenci axionu a existuje celá řada možných hmot a vlastností, které by axion mohl mít.
V tomto rozmezí možných přípustných hmot a vlastností axionu se objevuje něco pozoruhodného. Pokud chceme naplnit vesmír tmavou hmotou, musí mít tato temná hmota určité vlastnosti. Nemůže interagovat s normální hmotou velmi často a ani sama s ní nemůže interagovat velmi často. Také toho musí být spousta a musí být velmi stabilní a dlouhá životnost. Ukazuje se, že některé z možných vlastností axionů umožňují, aby hypotetická částice byla kandidátem na temnou hmotu.
Temné Axiony
Pokud necháme axii být temnou hmotou, může obecně vysvětlit všechna obvyklá pozorování temné hmoty. Může vysvětlit rotační křivky uvnitř galaxií. Může vysvětlit pohyby galaxií v klastrech galaxií. Může být vyrobena v dostatečném množství v ranném vesmíru, aby vyhovovala pozorování kosmického mikrovlnného pozadí. A tak dále.
A co víc, axiony v jádrech galaxií se mohou spojit dohromady dostatečně pevně, aby vytvořily jednu masivní kouli, která by se zpočátku červenala podobně jako supermasivní černá díra. Bylo by to malé, nekomunikovalo by se světlem a bylo by to neuvěřitelně masivní. I když nedávná pozorování z dalekohledu Horizon událostí nám poskytla doslovný obrázek obří černé díry v jiné galaxii, neznamená to nutně vyloučení, že tato jádra axionů se stále skrývají v hloubkách galaxií po celém vesmíru. A právě s těmito možnými axionovými jádry bychom mohli být schopni zvládnout jejich vlastnosti.
Klíčem jsou černé díry
Kromě Event Horizon Telescope, nemáme žádné přímé pozorování supermasivních černých děr. Můžeme vidět pouze materiál, který se kolem nich víří a prosakuje. A z vlastností tohoto materiálu můžeme odhadnout velikost a hmotnost černých děr. S těmito technikami jsme v průběhu desetiletí odhalili velmi podivný vztah: mohutnější galaxie jsou hostiteli mohutnějších černých děr v jejich centrech. Tento vztah je ve skutečnosti relativně těsný a říká nám, že černé díry se nějak vyvinuly se svými hostitelskými galaxiemi.
Ale jak jsem řekl, nemůžeme přímo pozorovat černé díry. Takže to nemusí být vůbec černé díry. Mohou to být axionová jádra schovaná ve středech těchto galaxií. Pokud tomu tak je, pak nejde o to, že černé díry se vyvinuly společně s jejich hostitelskými galaxiemi, ale že jádra axionů se vyvinuly společně s jejich hostitelskými galaxiemi. Čím větší je galaxie, tím tmavší hmota může být hostitelem a čím větší je jádro axionu ve středu.
To znamená, že můžeme použít vztah mezi středním tmavým objektem (ať už je to černá díra nebo jádro axionu) a samotnou galaxií k omezení vlastností axionů. Funguje to proto, že pokud začnete hrát s hmotou částic axionu, pak to ovlivní, jak snadno se můžete shlukovat a vytvořit jádro, které změní vztah k hostitelské galaxii.
Tým astronomů nedávno použil vztah mezi černými dírami a galaxiemi, aby to přesně provedl, a byl schopen umístit některé horní limity na hmotnost částic axionu, což pomůže vést budoucí experimenty a přímé vyhledávání. Je axion zodpovědný za temnou hmotu ve vesmíru? Doufejme, že jednoho dne můžeme situaci osvětlit.
Číst dále: „Jádro axionu - halo hmota a vztah černé díry - halo hmoty: omezení na několika parsecských stupnicích“
