暗物质其实是轴子？

香港大学的Alfred Amruth和他的同事在《自然·天文学》杂志上发表的一项新研究，利用光的引力弯曲，让我们更接近暗物质的真相。

无形而无处不在

我们认为暗物质存在的原因是，我们可以看到它的引力在星系运动中的影响。

具体来说，暗物质似乎占据了宇宙质量的约85%，而且我们能看到的大多数遥远星系似乎都被这种神秘物质的晕环包围着。

但是，它之所以被称为暗物质，是因为它不发光，也不吸收或反射光线，这使得它非常难以探测。

那么这到底是什么东西呢？我们认为它必须是某种未知的基本粒子，但除此之外我们并不确定。到目前为止，在实验室实验中探测暗物质粒子的所有尝试都失败了，物理学家们对其本质已经争论了几十年。

科学家们提出了两种主要的暗物质假设候选者：相对较重的弱相互作用大质量粒子(或WIMPs)，以及极轻的粒子——轴子axion。

理论上，WIMPs会像离散的粒子一样行为，而axion由于量子干涉会更像波一样行为。要区分这两种可能性一直很困难——但现在，在遥远星系周围弯曲的光线提供了一个线索。

Axion是一种假设的基本粒子，由Peccei–Quinn理论在1977年提出，用于解决量子色动力学中的强CP问题。如果axion存在并且具有特定范围内的低质量，它们可能是冷暗物质的一个可能组成部分。

引力透镜和爱因斯坦环

(ESA/Hubble & NASA)

当穿越宇宙的光线经过一个像星系这样的大质量物体时，它的路径会弯曲，因为根据爱因斯坦的广义相对论理论——大质量物体的引力会扭曲其周围的时空。

因此，有时当我们观察一个遥远星系时，我们可以看到其后面其他星系的扭曲图像。如果事情完美地排列起来，来自背景星系的光线会被涂抹成一个圆环围绕着前景星系。

这种光线的扭曲被称为“引力透镜”，而它可以产生的圆环被称为“爱因斯坦环”。通过研究环或其他透镜图像的扭曲程度，天文学家可以了解包围着更近星系的暗物质晕的性质。

Axion还是WIMPs

这正是Amruth和他的团队在新研究中所做的。他们观察了几个系统，其中多个相同的背景物体围绕着前景透镜星系可见，特别关注一个叫做HS 0810+2554的系统。这个系统有一个非常明亮的爱因斯坦环，由一个螺旋星系和一个类星体(一种非常亮的活跃星系核)组成。

通过对比不同波长的光线在环上的分布，他们发现了一种叫做“波动干涉”的现象。这意味着，当两个或多个波相遇时，它们会相互影响，形成一个新的波。如果两个波是同步的(即同相)，它们会增强彼此；如果两个波是不同步的(即反相)，它们会抵消彼此。

在HS 0810+2554系统中，来自背景类星体的光线在经过前景星系时，会被暗物质晕中的axion干涉。这导致了环上不同位置的光线强度出现了变化。这种变化与axion作为波而不是粒子行为的预期一致。

这项研究是第一次使用引力透镜来探测暗物质晕中可能存在的axion。它也为我们提供了一种新的方法来区分暗物质是由WIMPs还是axion组成。如果未来能够观察到更多类似HS 0810+2554这样的系统，并且发现更多波动干涉的证据，那么我们就可能会揭开暗物质最大的秘密之一。

https://www.sciencealert.com/new-study-of-einstein-rings-says-dark-matter-behaves-more-like-a-wave-not-a-particle

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