Anomalies in Gravitational-Lensed Images Revealing Einstein Rings Modulated by Wavelike Dark Matter

Auteurs : Alfred Amruth, Tom Broadhurst, Jeremy Lim, Masamune Oguri, George F. Smoot, Jose M. Diego, Enoch Leung, Razieh Emami, Juno Li, Tzihong Chiueh, Hsi-Yu Schive, Michael C. H. Yeung, Sung Kei Li

Nat Astron (2023). Free view-only version of article: https://rdcu.be/damHj
arXiv: 2304.09895v1 - DOI (astro-ph.CO)
This preprint has not undergone peer review or any post-submission improvements or corrections. The Version of Record of this article is published in Nature Astronomy, and is available online at https://doi.org/10.1038/s41550-023-01943-9 or https://www.nature.com/articles/s41550-023-01943-9. Please check out the final version on Nature Astronomy's website for the improved main text
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Résumé : Elucidating the nature of Dark Matter (DM), which does not interact with light and which interacts with known matter primarily or only through gravity, is one of the principal quests in physics. Leading candidates for DM are weakly interacting massive particles (WIMPs) or ultralight bosons (axions), at opposite extremes in mass scales, that have been postulated by competing theories to solve deficiencies in the Standard Model of particle physics. Whereas DM WIMPs behave like discrete particles ($\varrho$DM), quantum interference between DM axions is manifested as waves ($\psi$DM). Here, we show that gravitational lensing leaves signatures in multiply-lensed images of background galaxies that reveal whether the foreground lensing galaxy inhabits a $\varrho$DM or $\psi$DM halo. Whereas $\varrho$DM lens models leave well documented anomalies between the predicted and observed brightnesses and positions of multiply-lensed images, $\psi$DM lens models correctly predict the level of anomalies left over by $\varrho$DM lens models. More challengingly, when subjected to a battery of tests for reproducing the quadruply-lensed triplet images in the system HS 0810+2554, $\psi$DM is able to reproduce all aspects of this system whereas $\varrho$DM often fails. The growing success of $\psi$DM in reproducing astrophysical observations tilt the balance toward new physics invoking axions.

Soumis à arXiv le 19 Avr. 2023

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