Има много мистериозни събития в центъра на Млечния път. Свръхмасивната черна дупка, която пребивава там, е главна сред тях. Но има още един интригуващ пъзел: неочакван сферичен регион на интензивни емисии на гама лъчи.
Ново проучване предполага, че тъмната материя може да стои зад тези емисии.
Във Вселената има много източници на гама лъчи и повечето от тях са добре разбрани. Пулсарите, магнитите и квазарите произвеждат гама-лъчи. Но могат ли да отчитат гама лъчите, идващи от центъра на нашата галактика?
Гама лъчите са мощни. Те са форма на проникващо електромагнитно излъчване, произведено от най-енергийните явления във Вселената. Те имат най-късите дължини на вълната от всеки вид електромагнитно излъчване и най-високата енергия на фотоните.
Излишъкът от гама лъчи в сърцето на Млечния път е известен на физиците и те го наричат галактически излишък на център (GCE.) Ние знаем много за Млечния път и това знание е стеснило обясненията за GCE надолу до две водещи възможности: или популация пулсари, които са бързо въртящи се неутронни звезди, или тъмна материя. Физиците смятат, че ако е тъмна материя, тя съществува в плътен облак в центъра на галактиката, сблъсквайки се със себе си и се унищожава, за да произвежда гама лъчи.
През 2015 г. проучване показа, че източникът на GCE всъщност са пулсари и тъмната материя не е участвала. Това проучване дойде от екип изследователи от Принстън и MIT, включително доцент по физика Трейси Слейтър. Те използваха наблюдения на галактическия център, направени с космическия телескоп Ферми Гама, заедно с модел, описващ всички взаимодействия по Млечния път, които могат да произвеждат гама-лъчи. Те заключиха, че пулсарите са отговорни.
Но ново проучване, включващо също така Слатиер от MIT, изглежда е отменило тези резултати и посочи тъмната материя като източник на всички онези гама лъчи.
Новото изследване е озаглавено „Хипотеза на възраждането на тъмната материя за излишъка на Гама-лъч в Галактическия център“ и е публикувано в „Писма за физически преглед“. Авторите са Трейси Слатиер от Центъра за теоретична физика в MIT и Ребека Лейн от Училището по естествени науки, Институт за напреднали изследвания. Проучването им казва, че има проблем с по-ранното и резултатите от него са ненадеждни. Приносът на тъмна материя за GCE можеше да остане незабелязан.
Трудността при стесняване на GCE до пулсари или тъмна материя се свежда до начина, по който се излъчват фотоните, и върху нашата технологична способност да ги откриваме. Гама-лъчите от тъмната материя биха били дифузни, докато тези от пулсарите биха били по-концентрирани точкови източници. През 2015 г. всички гама лъчи се появиха дифузно, но това може да е така, защото точковите източници изглеждат дифузни към нашите телескопи, които имат ограничена пространствена разделителна способност. През 2015 г. изследователите стигнаха до заключението, че пулсарите са отговорни.
Млечният път е повече или по-малко плосък, с издутина в центъра. Гама лъчите заемат сферична област в центъра с радиус около 5000 светлинни години. Методът, който Слатиер и нейните колеги разработиха през 2015 г., се опитаха да разрешат дали този сферичен регион е „гладък“ или ако е „зърнест“. Техните разсъждения бяха, че ако пулсарите са източникът на гама лъчите, тогава тези гама лъчи трябва да направят този сферичен регион да изглежда зърнест. Ще има тъмни празнини между гама лъчите, където няма пулсарни източници.
Но ако гама лъчите идваха от тъмна материя, тогава сферичната област щеше да бъде гладка. „Всяка зрителна линия към галактическия център вероятно има частици от тъмна материя, така че не бива да виждам пропуски или студени петна в сигнала“, обясни Слейтиер.
Те разработиха модел, който отчита цялата материя и газ в Млечния път и всички взаимодействия на частиците, които могат да произвеждат гама-лъчи. Тогава те разгледаха модели за сферичния регион на GCE, които бяха или зърнести или гладки, и статистически метод за разграничаването им. Тогава те взеха този модел и вкараха в него действителни наблюдения на космическия телескоп на Ферми, за да видят дали наблюденията се вписват в зърнест или гладък профил.
Ако наблюденията се вписват в зърнест профил, тогава пулсарите могат да обяснят гама-лъчите. Ако те се вписват в гладък профил, тогава тъмната материя може да ги обясни. Зърнестият профил беше невероятно подходящ.
„Видяхме, че е на 100 процента зърнест и затова казахме:„ о, тъмната материя не може да го направи, така че трябва да е нещо друго “, припомня Слейтър. „Надявах се, че това ще бъде само първото от много изследвания на региона на галактическия център, използващи подобни техники. Но до 2018 г. основните кръстосани проверки на метода все още бяха тези, които направихме през 2015 г., което ме изнерви доста, че може би сме пропуснали нещо. “
В крайна сметка Слатиер и Лейн решиха да тестват модела. Слейтър беше загрижен, че може да не е достатъчно здрав. Те решиха да създадат „фалшива“ карта на небето, включваща сигнал за тъмна материя и пулсари, които не бяха свързани с GCE. Те го подадоха в модела и въпреки че данните им съдържаха фалшив сигнал за тъмна материя, моделът стигна до заключението, че е зърнест и следователно доминиран с пулсар. Според Слейтиер това е доказателство, че техният модел не е бил глупав и че все още има място за тъмната материя, която да играе роля в GCE.
"Ако наистина е тъмна материя, това ще бъде първото доказателство, че тъмната материя взаимодейства с видимата материя чрез сили, различни от гравитацията."
Ребека Лейн, съавтор, Училище по естествени науки, Институт за напреднали изследвания.
Тогава един колега предложи на изследователите да добавят фалшив сигнал за тъмна материя, комбиниран с реални наблюдения на Ферми, за да тестват своя модел, вместо с фалшива фонова карта.
Те направиха това и статистическият им модел не успя да тества. Въпреки гладкия сигнал на тъмната материя, моделът върна зърнест резултат, доминиран от пулсар. Те завъртяха сигнала си за тъмна материя до четири пъти по-голям от действителния GCE и все още техният модел не успя да го открие.
„До този етап бях доста развълнуван, защото знаех, че последиците са много големи - това означава, че обяснението на тъмната материя е отново на масата“, казва Лейн.
Ако тези най-нови резултати са правилни, значи е голяма работа.
„Ако наистина е тъмна материя, това ще бъде първото доказателство, че тъмната материя взаимодейства с видимата материя чрез сили, различни от гравитацията“, казва Лейн. „Природата на тъмната материя е един от най-големите открити въпроси във физиката в момента. Идентифицирането на този сигнал като тъмна материя може да ни позволи най-накрая да разкрием основната идентичност на тъмната материя. Без значение какъв е излишъкът, ние ще научим нещо ново за Вселената. "
„Вълнуващо е, че решихме, че сме елиминирали възможността това да е тъмна материя“, казва Слейтиер в съобщение за пресата. „Но сега има вратичка, систематична грешка в твърдението, което направихме. Той отваря отново вратата за сигнала, който идва от тъмна материя. "
Този нов резултат е публикуван в списание Physical Review Letters 'от 11 декември.
Повече ▼:
- MIT Press Release: Има ли тъмна материя в центъра на Млечния път?
- Изследователска книга: Възраждане на хипотезата за тъмната материя за излишъка на Гама-Рей в Галактическия център
- Уикипедия: Слабо взаимодействащи масивни частици (WIMP)
