확대 / 중앙의 오른쪽에 있는 붉은 호는 중력 렌즈가 적용된 배경 은하입니다. 이러한 이미지의 수, 위치 및 왜곡 정도는 전경의 암흑 물질 분포에 따라 다릅니다.

보이는 우주가 암흑 물질의 틀 위에 세워졌다는 것이 분명한 지 수십 년이 지난 후에도 우리는 여전히 암흑 물질이 실제로 무엇인지 알지 못합니다. 대규모로 다양한 증거가 이른바 WIMP(약하게 상호작용하는 거대한 입자)를 가리킵니다. 그러나 WIMP로 설명하기 어려운 다양한 세부 사항이 있으며 입자를 수십 년 동안 검색해도 아무 것도 밝혀지지 않아 사람들은 WIMP가 아닌 다른 것이 암흑 물질로 만들어 졌다는 생각을 할 수 있습니다.

많은 후보 중 하나는 관련없는 물리학 분야의 문제를 해결하기 위해 제안된 힘을 전달하는 입자인 액시온(Axion)이라고 불리는 것입니다. 그들은 WIMP보다 훨씬 가볍지만 암흑 물질과 일치하는 다른 속성을 가지고 있어 관심이 낮습니다. 이제 새로운 논문은 액시온과 같은 특성으로 더 잘 설명될 수 있는 중력 렌즈 효과(주로 암흑 물질의 산물)에 특징이 있다고 주장합니다.

입자 또는 파동?

그렇다면 액시온이란 무엇일까요? 가장 단순한 수준에서 이것은 스핀이 없는 매우 가벼운 입자이며 힘 운반체 역할을 합니다. 그들은 원래 양성자와 중성자를 함께 묶는 강한 힘의 행동을 설명하는 양자 색역학이 전하 보존의 보존을 깨뜨리지 않도록 하기 위해 제안되었습니다. 축이 다른 이론적 프레임워크와 호환되는지 확인하기 위해 충분한 작업이 수행되었으며 이를 파악하기 위한 일부 연구가 수행되었습니다. 그러나 액시온은 우리가 아직 해결 방법을 찾지 못한 문제에 대한 많은 잠재적 해결책 중 하나로 약화되었습니다.

그러나 그들은 잠재적인 암흑 물질 솔루션으로 약간의 관심을 끌었습니다. 그러나 암흑 물질의 거동은 무거운 입자, 특히 약하게 상호 작용하는 무거운 입자로 가장 잘 설명됩니다. 액시온은 더 가벼운 쪽에 있을 것으로 예상되었으며 거의 ​​질량이 없는 중성미자만큼 가벼울 수 있습니다. 액시온에 대한 검색은 많은 중량물도 제외하는 경향이 있어 문제가 더욱 명백해집니다.

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그러나 액시온이 다시 나타나거나 적어도 WIMP가 페이스플랜트하는 동안 정지 상태로 유지될 수 있습니다. WIMP에 대한 약한 상호 작용의 지표를 식별하려고 시도하고 식별하기 위해 구축된 많은 탐지기가 있었지만 비어 있었습니다. WIMP가 표준 모델 입자인 경우 입자 충돌기에서 손실된 질량을 기반으로 WIMP의 존재를 추론할 수 있습니다. 이에 대한 증거는 제시되지 않았습니다. 이로 인해 사람들은 WIMP가 암흑 물질에 대한 최상의 솔루션인지 재고하게 되었습니다.

우주 규모에서 WIMP는 계속해서 데이터에 매우 잘 맞습니다. 그러나 개별 은하의 수준으로 내려가면 은하를 둘러싼 암흑 물질의 후광이 복잡한 구조를 가지지 않는 한 잘 작동하지 않는 몇 가지 이상 현상이 있습니다. 배경 개체를 확대하고 왜곡하도록 공간을 휘게 하는 중력 렌즈를 만드는 능력을 기반으로 개별 은하의 암흑 물질을 매핑하려고 할 때 비슷한 것이 사실처럼 들립니다.

왼쪽에 모델링된 WIMP 기반 암흑 물질은 은하 중심에서 멀어짐에 따라 높은(빨간색)에서 낮은(파란색) 방향으로 부드럽게 분포됩니다.  액시온(오른쪽)을 사용하면 양자 간섭이 훨씬 더 불규칙한 패턴을 생성합니다.

왼쪽에 모델링된 WIMP 기반 암흑 물질은 은하 중심에서 멀어짐에 따라 높은(빨간색)에서 낮은(파란색) 방향으로 부드럽게 분포됩니다. 액시온(오른쪽)을 사용하면 양자 간섭이 훨씬 더 불규칙한 패턴을 생성합니다.

Amrothet al. 그만큼.

새로운 작업은 이러한 잠재적인 이상 현상을 WIMPS와 액시온의 속성 간의 차이와 연관시키려고 시도합니다. 이름에서 알 수 있듯이 WIMP는 거의 전적으로 중력을 통해 상호 작용하는 별개의 입자처럼 행동해야 합니다. 대조적으로, 액시온은 양자 간섭을 통해 서로 상호 작용해야 하며, 이는 은하 전체에 걸쳐 주파수에서 파동과 같은 패턴을 생성합니다. 따라서 WIMP의 주파수는 은하 중심에서 멀어짐에 따라 완만하게 감소해야 하지만 액시온은 은하 중심 근처에서 주파수를 높이는 정재파(기술적으로는 솔리톤)를 형성해야 합니다. 이 외에도 복잡한 간섭 패턴은 축이 본질적으로 없는 영역과 평균 강도의 두 배로 존재하는 다른 영역을 생성해야 합니다.

찾기 어려움

몇 가지 가능한 예외를 제외하고 암흑 물질은 은하 질량의 대부분을 구성합니다. 이를 감안할 때 이러한 간섭 패턴은 은하의 다른 지역에서 중력이 고르지 않게 끌어당기는 원인이 되어야 합니다. 지역 간의 차이가 충분히 크면 중력 렌즈 효과의 예상되는 동작에서 약간의 편차로 나타날 수 있습니다. 따라서 은하 뒤에 있는 물체는 여전히 렌티큘러 이미지로 나타나야 합니다. 그것은 우리가 기대하는 방식이나 우리가 기대하는 위치에 정확히 형성되지 않을 수도 있습니다.

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모델링에 따르면 이러한 수차는 허블 우주 망원경으로도 포착할 수 없을 정도로 작습니다. 그러나 광범위하게 분리된 전파 망원경의 데이터를 본질적으로 하나의 거대한 망원경으로 병합하여 전파 파장에서 탐지하는 것이 가능할 수 있습니다. (이 접근 방식을 통해 Event Horizon Telescope는 블랙홀의 이미지를 생성할 수 있었습니다.)

그리고 적어도 한 가지 경우에는 해당 데이터가 있습니다. HS 0810+2554는 우리와 다른 은하의 중심에 있는 활성 블랙홀 사이에 있는 거대한 타원은하입니다. 전경 은하에 의해 생성된 중력 렌즈 효과는 활성 은하의 4개 이미지를 생성하며, 각 이미지에는 밝은 은하 코어와 두 개의 큰 물질 제트가 확장됩니다. 전경 은하에 있는 전형적인 암흑 물질 헤일로의 존재를 기반으로 우리가 예상할 수 있는 것과 이 네 개의 이미지의 위치와 왜곡을 비교할 수 있습니다.

우리가 예상할 수 있는 단 하나의 패턴이 있기 때문에 WIMP와 관련된 것은 비교적 간단합니다. 은하 중심에서 멀어짐에 따라 암흑 물질 수준이 점진적으로 감소합니다. 이 분포를 기반으로 한 렌즈 예측은 이미지가 렌즈 렌즈에 나타나는 위치에 대한 실제 데이터를 일치시키는 작업을 제대로 수행하지 못합니다.

문제는 혼돈 액시온의 간섭 패턴을 기반으로 동일한 분석을 수행하는 것입니다. 다른 초기 조건으로 모델을 두 번 실행하면 다른 간섭 패턴을 얻게 됩니다. 따라서 실제 은하계에서 렌즈를 사용하는 사람들을 실제로 얻을 확률은 매우 희박합니다. 대신 연구팀은 무작위로 선택된 초기 조건으로 75개의 서로 다른 모델을 실행했습니다. 실수로 실제 데이터에서 볼 수 있는 것과 유사한 이러한 왜곡 중 일부를 만들었습니다. 일반적으로 렌즈가 있는 4개의 이미지 중 하나에만 영향을 미칩니다. 따라서 연구원들은 렌티큘러 이미지의 왜곡이 액시온의 양자 간섭에 의해 형성된 암흑 물질 헤일로와 일치한다고 결론지었습니다.

그래서, 그들은 정말로 액시온입니까?

단일 은하를 분석하는 것은 어떤 경우에도 중요한 잽이 되지 않을 것이며 여기에서 더 주의해야 할 많은 이유가 있습니다. 예를 들어, 연구자들은 중력의 영향을 받는 은하계의 일반 물질과 눈에 보이는 물질의 분포에 대해 몇 가지 가정을 했습니다. 타원 은하는 더 작은 은하들의 합병의 결과로 여겨지며, 이는 일반 물질의 분포를 추적하여 탐지하기 어려운 미묘한 방식으로 암흑 물질의 분포에 영향을 미칠 수 있습니다.

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마지막으로, 이런 종류의 겹치는 패턴은 비정상적으로 가벼운 축(약 10개)에 대해서만 작동합니다.-22 전자 볼트. 반대로 전자 자체의 질량은 약 500,000전자볼트입니다. 이것은 액시온을 중성미자보다 훨씬 가볍게 만들 것입니다.

새 논문의 저자들은 대부분 여기에 있는 증거에 대해 신중하며 다음과 같은 문장으로 논문을 결론짓습니다. [WIMP- or axion-based dark matter] 천체물리학적 관측을 더 잘 재현하면 새로운 물리학 이론의 두 가지 유사한 이론 중 하나로 균형이 기울어질 것입니다. 그러나 그들의 주의는 요약의 마지막 문장에서 “능력”이라고 적었습니다. [axion-based dark matter] HS 0810+2554와 같은 까다로운 경우에도 렌즈 이상 현상의 해상도는 다른 천체물리학적 관측의 재현 성공과 함께 균형을 새로운 물리학 호출 축으로 기울입니다. “

우리는 의심할 바 없이 물리학자들이 이 논문의 저자와 피어 리뷰어를 넘어 이러한 감정을 공유하는지 곧 알게 될 것입니다.

자연 천문학, 2023. DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9 (DOI에 대해).

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