Согласно новому исследованию, наблюдения, проведённые космическим телескопом НАСА «Ферми», указывают на наличие ореола тёмной материи вокруг центра нашей галактики, но для подтверждения этого результата требуется больше информации.
Новое исследование предполагает, что интенсивное гамма-излучение (на врезке) в центре Млечного Пути может свидетельствовать об аннигиляции тёмной материи. (Изображение предоставлено: Томонори Тотани (врезка), Тайлер Чейз и Уолт Феймер / NASA (фон))
Новое исследование предполагает, что телескоп НАСА мог впервые зафиксировать неуловимую тёмную материю — невидимое и загадочное вещество, составляющее большую часть материи во Вселенной. Однако учёные, в том числе автор исследования, предупреждают, что для понимания этого открытия необходимы дополнительные исследования.
Космический гамма-телескоп NASA "Ферми", который изучает высокоэнергетические длины волн света, известные как гамма-лучи, обнаружил выбросы в центре Млечного Пути, которые могут быть связаны с частицами, связанными с темной материей, согласно исследованию, опубликованному во вторник (25 ноября) в Журнале космологии и физики астрочастиц.
«Если я правильно понимаю, то это будет первый случай, когда человечество „увидит“ тёмную материю», — сказал Томонори Тотани, профессор астрономии в Токийском университете и единственный автор исследования, в заявлении.
Однако авторы исследования предупреждают, что необходимо получить независимое подтверждение этого сигнала — не только от Млечного Пути, но и «от других объектов или областей» с аналогичными свойствами. Аналогичным образом физик-теоретик Шон Тулин, доцент кафедры физики и астрономии Йоркского университета в Торонто, сказал Live Science, что хотел бы провести независимый анализ работы, поскольку подобные заявления уже не в первый раз делаются с использованием телескопа «Ферми».
Ярким примером является «избыток в центре галактики» — источник необъяснимого гамма-излучения, обнаруженный с помощью телескопа «Ферми» в 2009 году. После почти двух десятилетий дальнейших исследований учёные продолжают спорить о том, является ли этот избыток результатом существования тёмной материи или более традиционных астрономических источников, таких как быстро вращающиеся звёзды, известные как пульсары.
Вимпы в космосе
Тёмная материя — это не светящаяся субстанция, которая, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной. До сих пор её существование подтверждалось только гравитационным воздействием на другие объекты. Например, в знаменитой статье 1933 года астроном Фриц Цвикки заявил, что далёкие галактики движутся вокруг друг друга быстрее, чем можно было бы предположить, исходя из видимой материи, которую можно наблюдать в телескопы. Вероятной причиной было названо гравитационное притяжение тёмной материи.
Существует несколько теорий о том, из чего состоит тёмная материя, но большинство современных астрономов предполагают, что она состоит из субатомных частиц. Исследование Тотани сосредоточено на популярной гипотезе о слабо взаимодействующих массивных частицах (WIMP).
Вимпы не вписываются в широко используемую Стандартную модель физики элементарных частиц, которая успешно показывает (по большей части), как строительные блоки материи взаимодействуют друг с другом. Но эта модель не учитывает силу гравитации или существование тёмной материи, по данным ЦЕРН.
Согласно заявлению, вимпы тяжелее протонов и почти не взаимодействуют с другими типами материи. Но когда два вимпа сталкиваются друг с другом, эти частицы разрушаются и в процессе столкновения высвобождают энергию, которая преобразуется в другие частицы, в том числе в фотоны гамма-излучения.
Тёмная материя или нет?
Для поиска гамма-излучения, связанного со столкновениями вимпов, многие исследования были сосредоточены на скоплениях тёмной материи, таких как центр нашей Млечной Пути галактики. Данные, полученные в результате 15-летних наблюдений с помощью телескопа «Ферми», показали наличие гамма-излучения «в галообразной структуре в направлении центра галактики Млечный Путь», которая «соответствует форме, ожидаемой от гало тёмной материи».
Эти гамма-лучи обладали чрезвычайно высокой энергией: энергия фотонов составляла 20 гигаэлектронвольт (20 миллиардов электронвольт). Согласно заявлению, эта энергия «соответствует излучению, которое предсказывается при аннигиляции гипотетических вимпов», а также частоте аннигиляции вимпов.
Загадочное гамма-излучение в центре Млечного Пути в 2009 году было приписано тёмной материи, но учёные не смогли подтвердить эту теорию. (Изображение предоставлено: Маттиа Ди Мауро (ESO/Fermi-Lat))
Однако Тулин отметил, что сигнал появляется только после того, как вы убираете фоновый шум от «всех источников энергичных фотонов, исходящих от Млечного Пути», в том числе от его центра и диска. Некоторый фоновый шум также присутствует из-за «пузырей Ферми» — двух огромных зон газа и космических лучей, которые простираются над Млечным Путём.
Все исследования, посвящённые источникам энергии в Млечном Пути, должны моделировать этот фоновый шум, а затем вычитать его, чтобы «обнаружить основной сигнал», — говорит Тулин. «То, что вы принимаете за сигнал, напрямую зависит от того, что вы вычли из фона. … Если вы что-то неправильно вычли, есть риск ошибиться».
Помимо вопросов о фоне, сигнал может зависеть от типа обсуждаемой частицы темной материи, сказал Тулин. "Это означает, какова модель для этой частицы темной материи?" он сказал. "Какова его масса? Каковы его фундаментальные свойства? Каковы его различные взаимодействия?"
Однако модель уничтожения для стандартного WIMP "совершенно разумна" с учетом наблюдаемого Тотани сигнала, сказал Тулин, при допущении, что в исследовании наблюдаются WIMP в рамках понятной нам модели и фон вычитается правильно.
Тулин (который во время беседы с Live Science имел доступ к препринту исследования) добавил, что, несмотря на его предостережения, полученные результаты «были бы выдающимися, если бы дело было в тёмной материи… не только для будущих астрономических наблюдений, но и потому, что этот тип частиц тёмной материи можно было бы исследовать и обнаружить в ходе самых разных экспериментов, например в подземных лабораториях и на коллайдерах».
Тем не менее, по словам Тулина, «никто не ставит на то, что это единственный случай, когда теория оказалась верной». «Мы видели множество аномалий. Многие аномалии исчезали. Некоторые аномалии остались с нами и требуют дальнейшего изучения. »