Tamsioji materija sudaro apie ketvirtį Visatos masės-energijos, tuo tarpu įprasta materija – vos apie penkis procentus. Bent jau taip rodo įvairiausi galaktikų ir jų spiečių stebėjimai. Bet kol kas, nepaisant dešimtmečius trunkančių paieškų, vis dar neaišku, iš ko ta tamsioji materija sudaryta. Teorinių idėjų yra ne viena, bet kol kas jokie eksperimentai nedavė aiškių rezultatų.
Asociatyvi „Pixabay“ nuotr.
Du nauji tyrimai vertina ir praplečia hipotezę, kad tamsioji materija susideda iš elementariųjų dalelių aksionų. Aksionus išmąstė dalelių fizikos teoretikai, siekdami paaiškinti, kodėl neutronas neturi elektrinio dipolio – elektros krūvio nesimetriško pasiskirstymo išilgai vienos ašies.
Vėliau pastebėta, kad tokių pačių savybių dalelės, skrajojančios laisvai kosmose, galėtų paaiškinti tamsiąją materiją. Bet iki šiol jos nėra aptiktos. Viena iš priežasčių, kodėl – neaiški aksionų masė.
Visi modeliai rodo, kad ji turi būti ypatingai maža – mažiau nei tūkstantoji elektronvolto dalis (elektronvoltas yra energijos vienetas, tačiau padalinus iš šviesos greičio kvadrato, gauname masę; elektrono masė lygi 511 kiloelektronvoltų). Bet galima įvairovė siekė nuo 25 iki 500 mikroelektronvoltų.
Naujo tyrimo autoriai teigia gerokai apriboję šį intervalą. Tam jie pasitelkė geresnius nei anksčiau skaitmeninius modelius. Modeliuose yra nagrinėjama pirmykštės Visatos evoliucija, kai temperatūra ten buvo tokia aukšta, kad dauguma elementariųjų dalelių buvo sumišusios į vientisą „sriubą“. Sriubai auštant, formavosi įvairios mikroskopinės gijos, kurios vėliau suskilo į daleles.
Ankstesniuose modeliuose šis procesas buvo sekamas sudalinant skaičiavimo erdvę į vienodus kubelius. Dabar mokslininkai pasitelkė adaptyvių gardelių metodiką, dažnai naudojamą astrofizikiniuose didelio masto struktūros modeliuose; tai leido sutelkti skaičiavimo pajėgumus į tas vietas, kur formuojasi gijos, ir pasiekti beveik tūkstantį kartų geresnę modelio raišką, nei anksčiau.
Taip gerokai patikslinta prognozė apie gijų evoliuciją, energijos praradimą ir susidarančių dalelių mases. Jos turėtų būti tarp 40 ir 180 mikroelektronvoltų. Šios žinios padės daug labiau sufokusuoti aksionų paieškų eksperimentus.
Tyrimo rezultatai publikuojami „Nature Communications“.
Nors aukščiau minėti teoriniai modeliai rodo, kad aksionų masė greičiausiai yra dešimtys ar šimtai mikroelektronvoltų, kai kurios hipotezės prognozuoja daug mažesnes vertes – apie kvadrilijoną kartų mažesnes už mikroelektronvoltą. Tokios masės aksionai, susikaupę stipriame gravitaciniame lauke, gali sukelti spinduliuotės poliarizacijos pokyčius.
Viena vieta, kur šis efektas gali būti išmatuojamas, yra labai arti juodosios skylės. Taigi mokslininkai pasitelkė M87* juodosios skylės stebėjimų duomenis ir išmatavo, kiek ten gali būti aksionų. M87* buvo pirmoji ir kol kas vienintelė juodoji skylė, kurios šešėlį pavyko nufotografuoti; pernai taip pat paskelbti ir spinduliuotės poliarizacijos jos aplinkoje duomenys.
Išnagrinėję juos, mokslininkai neaptiko jokios poliarizacijos, kurios nepavyktų paaiškinti kitais efektais, tokiais kaip magnetinis laukas. Tai reiškia, kad tokios mažos masės aksionų sąveika su fotonais turi būti bent 1000-10000 kartų silpnesnė, nei buvo galima apriboti ankstesniais stebėjimų duomenimis.
Ateityje, kai bus padaryta daugiau tokių detalių juodosios skylės nuotraukų, aksionų ir fotonų sąveiką bus galima įvertinti tiksliau ir aprėpiant platesnį masių intervalą.
Tyrimo rezultatai publikuojami „Nature Astronomy“.
