Vad är mörk materia gjord av? Det är en av de mest förbryllande frågorna inom modern astronomi. Vi vet att mörk materia finns där ute, eftersom vi kan se dess uppenbara gravitationsinflytande på allt från galaxer till hela universums utveckling, men vi vet inte vad det är. Vår bästa gissning är att det är någon sorts konstig ny partikel som inte gillar att prata med normal materia särskilt ofta (annars, vi skulle ha sett det nu). En möjlighet är att det är en exotisk hypotetisk sorts partikel känd som en axion, och ett team av astronomer använder inget annat än svarta hål för att försöka få en inblick i detta märkliga nya kosmiska djur.

Axion Agenda

Jag ska vara ärlig mot dig, vi vet inte om axioner finns. De uppfanns för att förklara en gåta inom högenergifysik. Det finns en viss typ av symmetri i naturen där att koppla bort de elektriska laddningarna för alla partiklar i en slumpmässig interaktion och köra processen i spegeln ger exakt samma resultat. Detta är känt som laddnings- och paritetssymmetri, eller CP-symmetri för kort.

Denna symmetri finns överallt i naturen, förutom när det inte gör det, som i fallet med den svaga kärnkraften, som kan bryta mot denna symmetri när det känns så.

Gåtan är att med alla rättigheter, den starka kärnkraften borde bryta mot detta, för. Det finns termer i matematiken som mycket tydligt bryter CP-symmetri, och ändå ser vi inga tecken på att symmetrin bryter med den starka kärnkraften i något av våra experiment. Så något måste pågå för att återställa denna symmetri när den borde brytas.

Svaret – eller åtminstone ett potentiellt svar – är en ny sorts partikel som kallas axionen. Axionen återställer en viss typ av balans i kraften (ja jag är medveten om Stjärnornas krig referens, här) så att CP-symmetri bevaras och alla kan gå i vardagen. Självklart, experiment hittills har inte direkt avslöjat förekomsten av axionen, och det finns en rad möjliga massor och egenskaper som axionen kan ha.

Inom det intervallet av möjliga tillåtna massor och egenskaper hos axionen, något anmärkningsvärt inträffar. Om vi ​​vill fylla upp universum med mörk materia, att mörk materia måste ha vissa egenskaper. Den kan inte interagera med normal materia särskilt ofta och den kan inte ens interagera med sig själv särskilt ofta, antingen. Också, det måste finnas mycket av det, och den måste vara mycket stabil och långlivad. Det visar sig att en del av de möjliga axionsegenskaperna gör den hypotetiska partikeln till en kandidat för mörk materia.

The Dark Axions

Om vi ​​anser att axionen är mörk materia, det kan generellt förklara alla vanliga observationer av mörk materia. Det kan förklara rotationskurvorna inuti galaxer. Det kan förklara galaxernas rörelser i galaxhopar. Det kan tillverkas i tillräckligt överflöd i det tidiga universum för att passa observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Och så vidare.

Vad mer, axioner i galaxernas kärnor kan buntas ihop tillräckligt tätt för att bilda en enda massiv boll som till en början skulle se ut som ett supermassivt svart hål. Det skulle vara litet, det skulle inte interagera med ljus, och det skulle vara otroligt stort. Medan de senaste observationerna från Event Horizon Telescope gav oss en bokstavlig bild av ett gigantiskt svart hål i en annan galax, det utesluter inte nödvändigtvis att dessa axionkärnor fortfarande lurar i djupet av galaxer över universum. Och det är med dessa möjliga axionskärnor som vi kanske kan få grepp om deras egenskaper.

Svarta hål är nyckeln

Förutom Event Horizon Telescope, vi har inga direkta observationer av supermassiva svarta hål. Vi kan bara se materialet som virvlar och sjuder runt dem. Och utifrån egenskaperna hos det materialet, vi kan uppskatta storleken och massan av de svarta hålen. Med dessa tekniker, vi har avslöjat ett mycket märkligt förhållande under decennierna:Mer massiva galaxer har fler massiva svarta hål i sina centra. Detta förhållande är faktiskt relativt snävt, och det berättar för oss att svarta hål på något sätt utvecklas tillsammans med deras värdgalaxer.

Men som jag sa, vi kan inte observera de svarta hålen direkt. Så de kanske inte alls är svarta hål. De kan vara axionkärnor som gömmer sig i mitten av dessa galaxer. Om detta är fallet, då är det inte så att svarta hål utvecklades tillsammans med deras värdgalaxer, men att axionkärnor samutvecklades med sina värdgalaxer. Ju större galaxen, ju mer axiell mörk materia den kan ta emot, och desto större är axionskärnan i mitten.

Det betyder att vi kan använda förhållandet mellan det centrala mörka objektet (oavsett om det är ett svart hål eller en axionskärna) och själva galaxen för att begränsa egenskaperna hos axioner. Det här fungerar, för om du börjar leka med axionpartikelmassan, det påverkar hur lätt axioner kan klumpa ihop sig för att bilda en kärna, vilket förändrar förhållandet till värdgalaxen.

Ett team av astronomer använde nyligen förhållandet mellan svarta hål och galaxer för att göra exakt detta, och kunde placera några övre gränser för axionpartikelmassan, som kommer att hjälpa till att vägleda framtida experiment och direkta sökningar. Är axionen ansvarig för den mörka materien i universum? Förhoppningsvis, vi kan kasta lite ljus över situationen en dag.