Di cosa è fatta la materia oscura? È una delle domande più imbarazzanti dell'astronomia moderna. Sappiamo che la materia oscura è là fuori, poiché possiamo vedere la sua evidente influenza gravitazionale su tutto, dalle galassie all'evoluzione dell'intero universo, ma non sappiamo cosa sia. La nostra ipotesi migliore è che sia una sorta di nuova particella strana a cui non piace parlare molto spesso con la materia normale (altrimenti, l'avremmo visto ormai). Una possibilità è che si tratti di un ipotetico tipo esotico di particella nota come assione, e un team di astronomi sta usando nientemeno che i buchi neri per cercare di dare un'occhiata a questa strana nuova creatura cosmica.

Agenda Axion

Sarò onesto con te, non sappiamo se esistono gli assioni. Sono stati inventati per spiegare un enigma nella fisica delle alte energie. C'è un certo tipo di simmetria in natura in cui scambiare le cariche elettriche di tutte le particelle in un'interazione casuale ed eseguire il processo nello specchio produce lo stesso identico risultato. Questo è noto come simmetria di carica e parità, o CP-simmetria in breve.

Questa simmetria vale ovunque in natura, tranne quando non lo fa, come nel caso della forza nucleare debole, che è in grado di violare questa simmetria ogni volta che ne ha voglia.

L'enigma è che con tutti i diritti, la forza nucleare forte dovrebbe violare questo, pure. Ci sono termini nella matematica che rompono molto ovviamente la simmetria PC, eppure non vediamo alcun segno di rottura della simmetria con la forza nucleare forte in nessuno dei nostri esperimenti. Quindi qualcosa deve essere in corso per ripristinare questa simmetria quando dovrebbe essere rotta.

La risposta, o almeno una potenziale risposta, è un nuovo tipo di particella chiamata assione. L'assione ripristina un certo tipo di equilibrio nella forza (sì, ne sono consapevole Guerre stellari riferimento, qui) in modo che la simmetria PC sia preservata e tutti possano svolgere la propria vita quotidiana. Certo, gli esperimenti fino ad oggi non hanno rivelato direttamente l'esistenza dell'assione, e c'è una gamma di possibili masse e proprietà che l'assione potrebbe avere.

All'interno di tale intervallo di possibili masse ammissibili e proprietà dell'assione, accade qualcosa di straordinario. Se vogliamo riempire l'universo di materia oscura, che la materia oscura deve avere determinate proprietà. Non può interagire molto spesso con la materia normale e non può nemmeno interagire con se stesso molto spesso, o. Anche, ci vuole molto, e deve essere molto stabile e longevo. Si scopre che alcune delle possibili proprietà degli assioni rendono quell'ipotetica particella un candidato per la materia oscura.

Le Assioni Oscure

Se consideriamo l'assione come materia oscura, può generalmente spiegare tutte le solite osservazioni sulla materia oscura. Può spiegare le curve di rotazione all'interno delle galassie. Può spiegare i movimenti delle galassie all'interno degli ammassi di galassie. Può essere prodotto in abbondanza nell'universo primordiale per adattarsi alle osservazioni del fondo cosmico a microonde. E così via.

Cosa c'è di più, gli assioni nei nuclei delle galassie possono raggrupparsi insieme abbastanza strettamente da formare un'unica palla massiccia che a prima vista assomiglierebbe molto a un buco nero supermassiccio. sarebbe piccolo, non interagirebbe con la luce, e sarebbe incredibilmente massiccio. Mentre recenti osservazioni dell'Event Horizon Telescope ci hanno fornito un'immagine letterale di un gigantesco buco nero in un'altra galassia, non esclude necessariamente che questi nuclei di assioni si nascondano ancora nelle profondità delle galassie in tutto l'universo. Ed è con questi possibili nuclei di assioni che potremmo essere in grado di ottenere un controllo sulle loro proprietà.

I buchi neri sono la chiave

A parte il telescopio Event Horizon, non abbiamo osservazioni dirette di buchi neri supermassicci. Possiamo solo vedere il materiale che vortica e ribolle intorno a loro. E dalle proprietà di quel materiale, possiamo stimare la dimensione e la massa dei buchi neri. Con queste tecniche, abbiamo scoperto una relazione molto strana nel corso dei decenni:galassie più massicce ospitano buchi neri più massicci nei loro centri. Questa relazione è in realtà relativamente stretta, e ci dice che i buchi neri in qualche modo co-evolvono con le loro galassie ospiti.

Ma come ho detto, non possiamo osservare direttamente i buchi neri. Quindi potrebbero non essere affatto buchi neri. Potrebbero essere nuclei di assioni nascosti al centro di quelle galassie. Se questo è il caso, allora non è che i buchi neri si siano co-evoluti con le loro galassie ospiti, ma quei nuclei di assioni si sono co-evoluti con le loro galassie ospiti. Più grande è la galassia, più materia oscura di assioni può ospitare, e più grande è il nucleo di assioni al centro.

Ciò significa che possiamo usare la relazione tra l'oggetto oscuro centrale (che sia un buco nero o un nucleo di assioni) e la galassia stessa per vincolare le proprietà degli assioni. Questo funziona, perché se inizi a giocare con la massa delle particelle di assioni, influenza la facilità con cui gli assioni possono aggregarsi per formare un nucleo, che cambia la relazione con la galassia ospite.

Un team di astronomi ha recentemente utilizzato la relazione tra buchi neri e galassie per fare esattamente questo, e sono stati in grado di porre alcuni limiti superiori alla massa delle particelle di assioni, che aiuterà a guidare futuri esperimenti e ricerche dirette. L'assione è responsabile della materia oscura nell'universo? Auspicabilmente, un giorno potremo far luce sulla situazione.