Waar is donkere materie van gemaakt? Het is een van de meest verwarrende vragen van de moderne astronomie. We weten dat donkere materie daarbuiten is, omdat we de duidelijke zwaartekracht ervan op alles kunnen zien, van sterrenstelsels tot de evolutie van het hele universum, maar we weten niet wat het is is. Onze beste gok is dat het een soort raar nieuw deeltje is dat niet graag heel vaak met normale materie praat (anders hadden we het inmiddels wel gezien). Een mogelijkheid is dat het een exotisch hypothetisch soort deeltje is dat bekend staat als een axion, en een team van astronomen gebruikt niets minder dan zwarte gaten om een glimp op te vangen van dit vreemde nieuwe kosmische beest.
Axion Agenda
Ik zal eerlijk tegen je zijn, we weten niet of er axies zijn. Ze zijn uitgevonden om een raadsel in de hoge-energiefysica te verklaren. Er is een bepaald soort symmetrie in de natuur.Als je een willekeurige interactie aangaat met veel subatomaire deeltjes en de elektrische ladingen van iedereen uitschakelt voor het tegenovergestelde teken, en het proces ook in de spiegel uitvoert, krijg je exact hetzelfde resultaat. Dit staat bekend als lading- en pariteitssymmetrie, kortweg CP-symmetrie.
Deze symmetrie geldt overal in de natuur, behalve wanneer dat niet het geval is, zoals in het geval van de zwakke kernkracht, die in staat is deze symmetrie te doorbreken wanneer ze daar zin in heeft.
Het raadsel is dat met alle rechten de sterke kernmacht dit ook zou moeten schenden. Er zijn termen in de wiskunde die de CP-symmetrie heel duidelijk doorbreken, en toch zien we in geen van onze experimenten tekenen van symmetrie die met de sterke kernkracht breekt. Er moet dus iets aan de hand zijn om deze symmetrie te herstellen wanneer deze zou moeten worden verbroken.
Het antwoord - of ten minste één mogelijk antwoord - is een nieuw soort deeltje dat axion wordt genoemd. De axion herstelt een bepaald soort evenwicht in de kracht (ja, ik ben me bewust van de Star Wars-referentie hier), zodat de CP-symmetrie behouden blijft en iedereen zijn dagelijkse leven kan leiden. Natuurlijk hebben experimenten tot nu toe niet direct het bestaan van de axion onthuld, en er is een reeks mogelijke massa's en eigenschappen die de axion zou kunnen hebben.
Binnen dat bereik van mogelijke toelaatbare massa's en eigenschappen van de axion, gebeurt er iets opmerkelijks. Als we het universum willen vullen met donkere materie, moet die donkere materie bepaalde eigenschappen hebben. Het kan niet vaak met normale materie interageren en het kan ook niet vaak met zichzelf communiceren. Er moet ook veel van zijn en het moet erg stabiel en langlevend zijn. Het blijkt dat een aantal van de mogelijke axion-eigenschappen ervoor zorgen dat dat hypothetische deeltje een kandidaat is voor de donkere materie.
The Dark Axions
Als we het axion de donkere materie laten zijn, kan dit in het algemeen alle gebruikelijke waarnemingen van de donkere materie verklaren. Het kan de rotatiecurven in sterrenstelsels verklaren. Het kan de bewegingen van sterrenstelsels binnen clusters van sterrenstelsels verklaren. Het kan in voldoende mate in het vroege heelal worden vervaardigd om te passen bij waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond. Enzovoorts.
Bovendien kunnen axions in de kernen van sterrenstelsels stevig genoeg bundelen om een enkele massieve bal te vormen die in eerste instantie veel lijkt op een superzwaar zwart gat. Het zou klein zijn, het zou geen interactie hebben met licht en het zou ongelooflijk enorm zijn. Hoewel recente waarnemingen van de Event Horizon-telescoop ons een letterlijk beeld gaven van een gigantisch zwart gat in een ander sterrenstelsel, betekent dit niet noodzakelijkerwijs dat deze axionkernen nog steeds op de loer liggen in de diepten van sterrenstelsels in het heelal. En het is met deze mogelijke axion-kernen dat we hun eigenschappen kunnen begrijpen.
Zwarte gaten zijn de sleutel
Afgezien van de Event Horizon Telescope hebben we geen directe waarnemingen van superzware zwarte gaten. We kunnen alleen het materiaal zien dat rond hen wervelt en kabbelt. En uit de eigenschappen van dat materiaal kunnen we de grootte en massa van de zwarte gaten schatten. Met deze technieken hebben we in de afgelopen decennia een heel vreemde relatie ontdekt: meer massieve sterrenstelsels bevatten meer massieve zwarte gaten in hun centra. Deze relatie is eigenlijk relatief nauw en het vertelt ons dat zwarte gaten op de een of andere manier samen evolueerden met hun gaststelsels.
Maar zoals ik al zei, we kunnen de zwarte gaten niet rechtstreeks observeren. Het zijn dus misschien helemaal geen zwarte gaten. Misschien zijn het axionkernen die zich in de centra van die sterrenstelsels verbergen. Als dit het geval is, is het niet zo dat zwarte gaten samen met hun gaststelsels zijn geëvolueerd, maar dat de axionkernen samen met hun gaststelsels zijn geëvolueerd. Hoe groter het sterrenstelsel, hoe meer axion donkere materie het kan bevatten en hoe groter de axion kern in het centrum.
Dit betekent dat we de relatie tussen het centrale donkere object (of het nu een zwart gat of een axionkern is) en de melkweg zelf kunnen gebruiken om de eigenschappen van axions te beperken. Dit werkt omdat als je begint te spelen met de axiondeeltjesmassa, dit van invloed is op hoe gemakkelijk je kunt klonteren om een kern te vormen, wat de relatie met het gaststelsel zal veranderen.
Een team van astronomen heeft onlangs de relatie tussen zwarte gaten en sterrenstelsels gebruikt om precies dit te doen, en kon een aantal bovengrenzen aan de axiondeeltjesmassa stellen, die toekomstige experimenten en directe zoekopdrachten zullen helpen begeleiden. Is de axion verantwoordelijk voor de donkere materie in het universum? Hopelijk kunnen we op een dag licht werpen op de situatie.
Lees meer: "Axion-kern - halomassa en de relatie tussen zwart gat-halomassa: beperkingen op een paar parsec-schalen"
