Woraus besteht dunkle Materie? Es ist eine der verwirrendsten Fragen der modernen Astronomie. Wir wissen, dass dunkle Materie da draußen ist, da wir ihren offensichtlichen Gravitationseinfluss auf alles von Galaxien bis zur Entwicklung des gesamten Universums sehen können, aber wir wissen nicht, was es ist ist. Wir gehen davon aus, dass es sich um eine Art seltsames neues Teilchen handelt, das nicht sehr oft mit normaler Materie spricht (sonst hätten wir es inzwischen gesehen). Eine Möglichkeit besteht darin, dass es sich um eine exotische hypothetische Art von Teilchen handelt, die als Axion bekannt ist, und ein Team von Astronomen verwendet nichts anderes als Schwarze Löcher, um einen Einblick in dieses seltsame neue kosmische Tier zu erhalten.
Axion Agenda
Ich bin ehrlich zu Ihnen, wir wissen nicht, ob es Axionen gibt. Sie wurden erfunden, um ein Rätsel in der Hochenergiephysik zu erklären. Es gibt eine bestimmte Art von Symmetrie in der Natur, bei der Sie genau das gleiche Ergebnis erzielen, wenn Sie eine zufällige Wechselwirkung mit vielen subatomaren Partikeln durchführen und die elektrischen Ladungen aller gegen das entgegengesetzte Vorzeichen austauschen und den Prozess auch im Spiegel ausführen. Dies ist als Ladungs- und Paritätssymmetrie oder kurz CP-Symmetrie bekannt.
Diese Symmetrie gilt überall in der Natur, außer wenn dies nicht der Fall ist, wie im Fall der schwachen Kernkraft, die diese Symmetrie verletzen kann, wann immer sie sich anfühlt.
Das Rätsel ist, dass die starke Atomkraft mit allen Rechten auch dies verletzen sollte. Es gibt Begriffe in der Mathematik, die ganz offensichtlich die CP-Symmetrie brechen, und dennoch sehen wir in keinem unserer Experimente Anzeichen dafür, dass die Symmetrie mit der starken Kernkraft bricht. Es muss also etwas los sein, um diese Symmetrie wiederherzustellen, wenn sie gebrochen werden sollte.
Die Antwort - oder mindestens eine mögliche Antwort - ist eine neue Art von Teilchen, das Axion genannt wird. Das Axion stellt eine bestimmte Art von Gleichgewicht in der Kraft wieder her (ja, mir ist die Star Wars-Referenz hier bekannt), so dass die CP-Symmetrie erhalten bleibt und jeder seinem täglichen Leben nachgehen kann. Bisherige Experimente haben natürlich nicht direkt die Existenz des Axions gezeigt, und es gibt eine Reihe möglicher Massen und Eigenschaften, die das Axion haben könnte.
Innerhalb dieses Bereichs möglicher zulässiger Massen und Eigenschaften des Axions tritt etwas Bemerkenswertes auf. Wenn wir das Universum mit dunkler Materie füllen wollen, muss diese dunkle Materie bestimmte Eigenschaften haben. Es kann nicht sehr oft mit normaler Materie interagieren und es kann auch nicht sehr oft mit sich selbst interagieren. Außerdem muss es viel davon geben, und es muss sehr stabil und langlebig sein. Es stellt sich heraus, dass einige der möglichen Axionseigenschaften es diesem hypothetischen Teilchen ermöglichen, ein Kandidat für die Dunkle Materie zu sein.
Die dunklen Axionen
Wenn wir das Axion die dunkle Materie sein lassen, kann es im Allgemeinen alle üblichen Beobachtungen der dunklen Materie erklären. Es kann die Rotationskurven innerhalb von Galaxien erklären. Es kann die Bewegungen von Galaxien innerhalb von Galaxienhaufen erklären. Es kann im frühen Universum in ausreichender Menge hergestellt werden, um Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zu ermöglichen. Und so weiter.
Darüber hinaus können sich Axionen in den Kernen von Galaxien eng genug bündeln, um eine einzige massive Kugel zu bilden, die auf den ersten Blick wie ein supermassereiches Schwarzes Loch aussehen würde. Es wäre klein, würde nicht mit Licht interagieren und wäre unglaublich massiv. Während die jüngsten Beobachtungen des Event Horizon Telescope ein buchstäbliches Bild eines riesigen Schwarzen Lochs in einer anderen Galaxie lieferten, bedeutet dies nicht unbedingt, dass diese Axionkerne immer noch in den Tiefen der Galaxien im gesamten Universum lauern. Und mit diesen möglichen Axionkernen können wir möglicherweise ihre Eigenschaften in den Griff bekommen.
Schwarze Löcher sind der Schlüssel
Abgesehen vom Event Horizon Telescope haben wir keine direkten Beobachtungen von supermassiven Schwarzen Löchern. Wir können nur das Material sehen, das um sie herum wirbelt und brodelt. Und aus den Eigenschaften dieses Materials können wir die Größe und Masse der Schwarzen Löcher abschätzen. Mit diesen Techniken haben wir im Laufe der Jahrzehnte eine sehr seltsame Beziehung entdeckt: Massivere Galaxien beherbergen massereichere Schwarze Löcher in ihren Zentren. Diese Beziehung ist tatsächlich relativ eng und zeigt, dass sich Schwarze Löcher irgendwie zusammen mit ihren Wirtsgalaxien entwickelt haben.
Aber wie gesagt, wir können die Schwarzen Löcher nicht direkt beobachten. Sie könnten also überhaupt keine schwarzen Löcher sein. Es könnten Axionkerne sein, die sich in den Zentren dieser Galaxien verstecken. Wenn dies der Fall ist, haben sich Schwarze Löcher nicht gemeinsam mit ihren Wirtsgalaxien entwickelt, sondern Axionkerne haben sich gemeinsam mit ihren Wirtsgalaxien entwickelt. Je größer die Galaxie ist, desto mehr dunkle Axion-Materie kann sie aufnehmen und desto größer ist der Axion-Kern in der Mitte.
Dies bedeutet, dass wir die Beziehung zwischen dem zentralen dunklen Objekt (ob es sich um ein Schwarzes Loch oder einen Axionkern handelt) und der Galaxie selbst verwenden können, um die Eigenschaften von Axionen einzuschränken. Dies funktioniert, denn wenn Sie anfangen, mit der Axion-Partikelmasse zu spielen, wirkt sich dies darauf aus, wie leicht Sie sich zu einem Kern zusammenballen können, wodurch sich die Beziehung zur Wirtsgalaxie ändert.
Ein Team von Astronomen nutzte kürzlich die Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und Galaxien, um genau dies zu erreichen, und konnte der Axionsteilchenmasse einige Obergrenzen setzen, die bei zukünftigen Experimenten und direkten Suchen hilfreich sein werden. Ist das Axion für die dunkle Materie im Universum verantwortlich? Hoffentlich können wir eines Tages etwas Licht in die Situation bringen.
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