Autor: Mihail Toma

S-antâlnit un urs c-o babă

și i-a fript în pizd-o labă

Care-i ursul, care-i baba?

Care-i pizda, care-i laba?

😀

What is dark matter made of? It’s one of the most perplexing questions of modern astronomy. We know that dark matter is out there, since we can see its obvious gravitational influence on everything from galaxies to the evolution of the entire universe, but we don’t know what it is. Our best guess is that it’s some sort of weird new particle that doesn’t like to talk to normal matter very often (otherwise we would have seen it by now). One possibility is that it’s an exotic hypothetical kind of particle known as an axion, and a team of astronomers are using none other than black holes to try to get a glimpse into this strange new cosmic critter.

Axion Agenda

I’ll be honest with you, we don’t know if axions exist. They were invented to explain a conundrum in high energy physics. There’s a certain kind of symmetry in nature where if you take some random interaction involving lots of subatomic particles and switch out everyone’s electric charges for the opposite sign, and also run the process in the mirror, you get the exact same result. This is known as charge and parity symmetry, or CP-symmetry for short.

This symmetry holds everywhere in nature, except when it doesn’t, as in the case of the weak nuclear force, which is able to violate this symmetry whenever it feels like it.

The conundrum is that by all rights the strong nuclear force should violate this too. There are terms in the mathematics that very obviously break CP-symmetry, and yet we don’t see any signs of symmetry breaking with the strong nuclear force in any of our experiments. So something must be going on to restore this symmetry when it ought to be broken.

The answer – or at least one potential answer – is a new kind of particle called the axion. The axion restores a certain kind of balance in the force (yes I’m aware of the Star wars reference here) so that the CP-symmetry is preserved and everyone can go about their daily lives. Of course experiments to date haven’t directly revealed the existence of the axion, and there’s a range of possible masses and properties that the axion could have.

Within that range of possible allowable masses and properties of the axion, something remarkable occurs. If we want to fill up the universe with dark matter, that dark matter has to have certain properties. It can’t interact with normal matter very often and it can’t even interact with itself very often either. Also, there needs to be a lot of it, and it needs to be very stable and long-lived. It turns out that some of the range of possible axion properties allow that hypothetical particle to be a candidate for the dark matter.

The Dark Axions

If we let the axion be the dark matter it can generally explain all the usual dark matter observations. It can explain the rotation curves inside of galaxies. It can explain the motions of galaxies within galaxy clusters. It can be manufactured in sufficient abundance in the early Universe to fit observations of the cosmic microwave background. And so on.

What’s more, axions in the cores of galaxies can bundle together tightly enough to form a single massive ball that would at first blush look a lot like a supermassive black hole. It would be small, it wouldn’t interact with light, and it would be incredibly massive. While recent observations from the Event Horizon Telescope gave us a literal picture of a giant black hole in another galaxy, it doesn’t mean necessarily rule out that these axion cores still lurk in the depths of galaxies across the Universe. And it’s with these possible axion cores that we might be able to get a handle on their properties.

Black Holes are the Key

Aside from the Event Horizon Telescope, we have no direct observations of supermassive black holes. We can only see the material that is swirling and seething around them. And from the properties of that material we can estimate the size and mass of the black holes. With these techniques, over the decades we’ve uncovered a very strange relationship: more massive galaxies host more massive black holes in their centers. This relationship is actually relatively tightand it tells us that black holes somehow co-evolved with their host galaxies.

But like I said, we can’t observe the black holes directly. So they might not be black holes at all. They might be axion cores hiding in the centers of those galaxies. If this is the case then it’s not that black holes co-evolved with their host galaxies, but that axion cores co-evolved with their host galaxies. The bigger the galaxy, the more axion dark matter it can host, and the bigger the axion core in the center.

This means we can use the relationship between the central dark object (whether it’s black hole or axion core) and the galaxy itself to constrain the properties of axions. This works because if you start playing with the axion particle mass then this affects how easily you can clump up to form a core, which will change the relationship to the host galaxy.

A team of astronomers recently employed the relationship between black holes and galaxies to do exactly this, and were able to place some upper limits on the axion particle mass, which will help guide future experiments and direct searches. Is the axion responsible for the dark matter in the universe? Hopefully someday we can shed some light on the situation.

Din ce este făcută materia întunecată? Este una dintre cele mai uluitoare întrebări ale astronomiei moderne. Știm că materia întunecată este acolo, deoarece putem vedea influența ei gravitațională evidentă asupra a tot ceea ce se petrece, de la galaxii la evoluția întregului univers, dar nu știm ce este. Cea mai bună presupunere este că este o particulă nouă ciudată, care nu vrea să interacționeze foarte des cu materia normală (altfel am fi văzut-o până acum). Ar putea fi un fel de particule exotice ipotetice, cunoscute sub numele de axion, iar o echipă de astronomi se folosesc de nimeni altele decât găurile negre pentru a încerca să înțeleagă această ciudată și nouă creatură  cosmică.

Legenda axionilor

Vreau să fiu sincer cu tine, nu știm dacă există axioni. Ei au fost inventați pentru a explica o încurcătură în fizica energiei înalte. Există un anumită simetrie în natură, astfel că, dacă luați o anumită interacțiune aleatorie care implică o mulțime de particule subatomice, inversați încărcăturile electrice ale fiecăreia pentru semnul opus și rulați procesul în oglindă, veți obține exact același rezultat. Aceasta se numește simetrie de încărcare și paritate, sau simetrie CP pe scurt.

Această simetrie este valabilă oriunde în natură. Dar cum excepția confirmă regula avem cazuri de forțe nucleare slabe, capabile să încalce această simetrie ori de câte ori  simt nevoia.

Enigma este că, deși forțele nucleare puternice ar trebui, la rândul lor, să încalce această regulă și există soluții matematice care evident încalcă simetria CP, totuși nu vedem semne de simetrie spartă în cazul forțelor nucleare puternice în niciunul din experimentele noastre. Deci, trebuie să existe ceva care restabilește această simetrie atunci când ea ar trebui să fie spartă.

Răspunsul – sau cel puțin un răspuns potențial – este noul tip de particule numit axion. Axionul restabilește un anumit echilibru în forță (da, știu că vă duce gândul la Războiul  stelelor 😉 ), astfel încât simetria CP să fie păstrată și toată lumea să poată fi fericită. Desigur, experimentele de până acum nu au dezvăluit direct existența axionului și există o serie proprietăți și o masă posibile pe care axionul le-ar putea avea.

În această gamă de  proprietăți ale axionului, se observă ceva remarcabil. Dacă vrem să umplem universul cu materie întunecată, acea materie întunecată trebuie să aibă anumite proprietăți: să nu poate interacționa cu materia normală foarte des și să nu poate interacționa chiar cu ea însăși foarte des. De asemenea, trebuie să fie în cantitate mare, să fie foarte stabilă și de lungă durată. Se pare că o parte din gama de posibile proprietăți ale axionului permite ca particula ipotetică să fie candidată pentru materia întunecată.

Axioii întunecați
Dacă admitem ca axionii să fie materia întunecată, aceasta poate explica în general toate observațiile obișnuite ale materiei întunecate. Se poate explica curbele de rotație din interiorul galaxiilor. Poate explica mișcările galaxiilor din grupurile de galaxii. Acesta poate fi fabricat în abundență suficientă în Universul timpuriu pentru a se potrivi observațiilor din mediul cosmic cu microunde. Și asa mai departe.

Mai mult, masele de axioni din nucleele galaxiilor se pot lega împreună suficient de strâns pentru a forma o singură minge masivă, care la prima vedere va arăta ca o gaură neagră supermasivă. Ar fi mic, nu ar interacționa cu lumina, și ar fi incredibil de masiv. În timp ce observațiile recente cu Event Horizon Telescope ne-au dat o imagine literală a unei găuri negre uriașe într-o altă galaxie, aceasta nu înseamnă în mod necesar excluderea faptului că aceste nuclee de axion încă se ascund în adâncurile galaxiilor din Univers. Și este posibil ca pe acești posibili axioni să putem trasa proprietățile lor.

Găurile negre sunt cheia
În afară de Event Horizon Telescope, nu avem observații directe asupra găurilor negre supermassive. Putem vedea doar materialul care se învârte și se învârte în jurul lor. Iar din proprietățile acelui material putem estima mărimea și masa găurilor negre. Prin aceste tehnici, de-a lungul deceniilor am descoperit o relație foarte ciudată: galaxiile mai masive găzduiesc găuri negre masive în centrele lor. Această relație este de fapt relativ strânsă și ne spune că găurile negre au evoluat într-un fel co-evoluat cu galaxiile gazdă.

Dar, așa cum am spus, nu putem observa găurile negre în mod direct. Deci, ele ar putea să nu fie găuri negre. Ar putea fi nuclee de axioni ascunse în centrele acelor galaxii. Dacă acesta este cazul, atunci nu este faptul că găurile negre co-au evoluat cu galaxiile gazdă, ci că acele nuclee axionice au evoluat împreună cu galaxiile gazdă. Cu cât galaxia este mai mare, cu atât mai multă substanță închisă axionică pe care o poate găzdui și cu atât mai mare este nucleul axionic din centru.

Aceasta înseamnă că putem folosi relația dintre obiectul central închis (fie că este gaură neagră sau nucleul axionului), cât și galaxia în sine pentru a trasa proprietățile axionilor. Acest lucru se datorează faptului că, dacă începeți să jonglați cu masa particulelor axion, atunci va rezulta cât de ușor se poate aglomera pentru a forma un nucleu, ceea ce va schimba relația cu galaxia gazdă.

O echipă de astronomi a folosit recent relația dintre gaurile negre și galaxiile lor pentru a face exact acest lucru și a reușit să plaseze niște limite superioare pentru masa particulelor axion, ceea ce va ajuta la orientarea experimentelor viitoare și a căutărilor directe. Axionul este responsabil pentru materia întunecată din univers? Sperăm că într-o zi putem să aruncăm o privire asupra situației.

***