Гравитационное линзирование указало на волновую природу темной материи

Астрономы сравнили, как модели темной материи на основе тяжелых и легких частиц (вимпов и аксионов) справляются с воспроизведением особенностей, возникающих при гравитационном линзировании. Для этого они обратились к изображению системы HS 0810+2554, которая представляет собой эллиптическую галактику, четырехкратно линзирующую квазар. Исследование показало, что волновая природа аксионов, проявляющаяся для частиц сверхмалой массы, могла бы объяснить различные флуктуации и аномалии на изображениях. Статья опубликована в Nature Astronomy.

Темная материя возникла в астрофизике в ответ на попытку объяснить различные аномалии, наблюдаемые в реликтовом излучении, вращении галактик, гравитационном линзировании и многом другом. Сегодня перед физиками стоит задача воспроизвести феноменологические свойства темной материи из первых принципов, включив в Стандартную модель новые частицы или модифицировав уже известные, и она пока не решена.

Сегодня сделано множество попыток объяснения свойств темной материи. К числу наиболее перспективных гипотез можно отнести ее представление через вимпы — массивные частицы — и через аксионы — легкие частицы. Ни те, ни другие пока не обнаружены напрямую в лабораториях или астрофизических наблюдениях. Эксперименты и симуляции по большей части приводят лишь к отсеиванию диапазонов масс, в которых должны находиться эти гипотетические частицы.

Несмотря на такой дефицит знания о конкретных свойствах частиц темной материи, ученые четко могут выделить качественную разницу в ее поведении для разных гипотез. Так, малость дебройлевской длины волны тяжелых вимпов (обычно более нескольких гигаэлектронвольт) гарантирует их корпускулярное поведение на астрономических масштабах. Вместе с тем, длина волны сверхлегких аксионов (порядка 10⁻²² электронвольт) сопоставима с размерами галактических гало. В последнем случае волновая природа темных частиц может проявиться в астрономических наблюдениях.

Альфред Амрут (Alfred Amruth) из Гонконгского университета вместе с коллегами из шести стран исследовали то, как разница между волновой и корпускулярной темной материей сказывается на эффектах гравитационного линзирования галактиками. Они показали, что аксионная модель лучше воспроизводит аномалии яркости и положения, чем модель с вимпами, которая обычно требует добавления субгало. Астрономы проверили свои расчеты на примере реальных наблюдений.

Модель массивных частиц темной материи допускает неоднородность их плотности во Вселенной. Предполагается, что вимпы концентрируются вокруг центра галактик, формируя галактическое гало. Важно при этом, что флуктуации их плотности не слишком большие в силу характера взаимодействия этих частиц и их массы.

Поведение сверхлегких аксионов на галактических масштабах, напротив, подчиняется квантовомеханическим законам. В частности, область притяжения создает для них потенциальную яму, в которой частицы стремятся занять состояния стоячих волн. Самоинтерференция аксионов допускает существенно большие флуктуации их плотности: от полного нуля до удвоенного значения. С помощью численного моделирования ученые убедились, что такие большие флуктуации существенно сказываются на яркости и положении фонового объекта.

Они применили свои модели к системе HS 0810+2554. Она включает в себя массивную эллиптическую галактику на переднем плане, которая четырехкратно линзирует фоновую галактику-квазар. Ее изображение в видимом диапазоне получил телескоп Хаббл, а в радиодиапазоне — сеть интерферометров EVN.

Задачей моделирования было наилучшим образом предсказать положение на изображении двух джетов в радиодиапазоне и видимой части квазара при четырехкратном линзировании. Это наложило ограничение на распределение радиальной плотности темной материи. Для модели на основе вимпов авторы остановили свой выбор на эллиптическом степенном профиле без внешнего сдвига. При выборе распределения аксионной плотности астрономы отталкивались от этого результата, но учитывали случайным образом сгенерированные интерференционные флуктуации, погашенные на 50 процентов барионным фактором. В сравнение они включили 75 сценариев генерации.

В результате выяснилось, что подход на основе тяжелых частиц все еще неспособен учесть аномалии яркости и положения для HS 0810+2554. Аксионная модель также не смогла дать полного объяснения, однако авторы показали, что в этом случае можно воспроизвести распределение углового разделения между различными элементами из разных сегментов изображения. Кроме того, модель на основе легких частиц способна воспроизвести отношение интенсивностей джетов, а также аномалию яркости. Астрономы уверены, что результат их анализа послужит дополнительным аргументом в пользу аксионного подхода к темной материи.

Ранее мы рассказывали, как четырехкратное гравитационное линзирование помогло запечатлеть сразу четыре момента жизни одной сверхновой. Подробнее об этом замечательном явлении читайте в материале «Вселенная не в фокусе».