В центре Млечного Пути много таинственных событий. Сверхмассивная черная дыра, которая находится там, является главной среди них. Но есть еще одна интригующая загадка: неожиданная сферическая область интенсивного излучения гамма-излучения.
Новое исследование предполагает, что темная материя может быть за этими выбросами.
Во вселенной много источников гамма-излучения, и большинство из них хорошо изучены. Пульсары, магнитары и квазары все производят гамма-лучи. Но могут ли они объяснить гамма-лучи, исходящие из центра нашей галактики?
Гамма-лучи мощные. Они являются формой проникающего электромагнитного излучения, производимого самыми энергичными явлениями во Вселенной. У них самая короткая длина волны электромагнитного излучения любого типа и самая высокая энергия фотонов.
Избыток гамма-лучей в сердце Млечного Пути известен физикам, и они называют его избытком галактического центра (GCE). Мы знаем много о Млечном Пути, и это знание сузило объяснения для GCE до две главные возможности: либо популяция пульсаров, которые являются быстро вращающимися нейтронными звездами, либо темная материя. Физики считают, что если это темная материя, она существует в плотном облаке в центре галактики, сталкиваясь с самим собой и уничтожая себя, создавая гамма-лучи.
В 2015 году исследование показало, что источником для GCE были фактически пульсары, а темная материя не была задействована. Это исследование было проведено группой исследователей из Принстона и Массачусетского технологического института, в том числе доцента физики Трейси Слатьер. Они использовали наблюдения галактического центра, полученные с помощью космического телескопа гамма-излучения Ферми, а также модель, описывающую все взаимодействия в Млечном Пути, которые могли производить гамма-лучи. Они пришли к выводу, что ответственность за это несут пульсары.
Но новое исследование, в котором также участвует Слатьер из Массачусетского технологического института, похоже, отменило эти результаты и указало на темную материю как на источник всех этих гамма-лучей.
Новое исследование называется «Возрождение гипотезы темной материи для избытка гамма-излучения Галактического центра» и опубликовано в Physical Review Letters. Авторы - Трейси Слатьер из Центра теоретической физики в Массачусетском технологическом институте и Ребекка Лейн из Школы естественных наук Института перспективных исследований. Их исследование говорит, что есть проблема с предыдущей, и ее результаты ненадежны. Вклад темной материи в GCE мог остаться незамеченным.
Трудность сужения GCE до пульсаров или темной материи связана с тем, как излучаются фотоны, и с нашей технологической способностью их обнаруживать. Гамма-лучи от темной материи будут рассеянными, а лучи от пульсаров - более концентрированными точечными источниками. В 2015 году все гамма-лучи выглядели рассеянными, но это могло быть из-за того, что точечные источники выглядят рассеянными для наших телескопов, которые имеют ограниченное пространственное разрешение. В 2015 году исследователи пришли к выводу, что ответственность за это несут пульсары.
Млечный Путь более или менее плоский, с выпуклостью в центре. Гамма-лучи занимают сферическую область в центре с радиусом около 5000 световых лет. Метод, который Слатер и ее коллеги разработали в 2015 году, пытался решить, была ли эта сферическая область «гладкой» или «зернистой». Их аргументация заключалась в том, что, если пульсары являются источником гамма-лучей, то эти гамма-лучи должны сделать эту сферическую область зернистой. Там будут темные промежутки между гамма-лучами, где не было источников пульсара.
Но если бы гамма-лучи исходили от темной материи, то сферическая область была бы гладкой. «В каждой прямой видимости к галактическому центру, вероятно, присутствуют частицы темной материи, поэтому я не должен видеть никаких пробелов или холодных пятен в сигнале», - объяснил Слатьер.
Они разработали модель, которая учитывала все вещество и газ в Млечном Пути, и все взаимодействия частиц, которые могли производить гамма-лучи. Затем они рассмотрели модели для сферической области GCE, которые были либо зернистыми, либо гладкими, и статистический метод, чтобы отличить их друг от друга. Затем они взяли эту модель и подали в нее фактические наблюдения космического телескопа Ферми с помощью гамма-излучения, чтобы увидеть, соответствуют ли наблюдения зернистому или гладкому профилю.
Если наблюдения вписываются в зернистый профиль, то пульсары могут объяснить гамма-лучи. Если они вписываются в гладкий профиль, то темная материя могла бы объяснить их. Зернистый профиль был подавляющим.
«Мы увидели, что оно на 100% зернистое, и поэтому мы сказали:« О, темная материя не может этого сделать, поэтому это должно быть что-то другое », - вспоминает Слатьер. «Я надеялся, что это будет только первое из многих исследований области галактического центра, использующих подобные методы. Но к 2018 году основными перекрестными проверками метода были те, которые мы делали в 2015 году, что заставило меня сильно нервничать, что мы могли что-то упустить ».
В конце концов Слайтер и Лейн решили проверить модель. Слатьер был обеспокоен тем, что он может быть недостаточно крепким. Они решили создать «поддельную» карту неба, включающую сигнал темной материи и пульсары, которые не были связаны с GCE. Они подали его в модель, и хотя их данные содержали фальшивый сигнал темной материи, модель пришла к выводу, что он был зернистым и, следовательно, преобладает пульсар. По словам Слатира, это было доказательством того, что их модель не была надежной, и что темная материя все еще могла играть роль в GCE.
«Если это действительно темная материя, это будет первым свидетельством взаимодействия темной материи с видимой материей с помощью сил, отличных от гравитации».
Ребекка Лин, соавтор Школы естественных наук, Институт повышения квалификации.
Затем коллега предложил, чтобы исследователи добавили фальшивый сигнал темной материи в сочетании с реальными наблюдениями Ферми для проверки своей модели, а не с фальшивой фоновой картой.
Они так и сделали, и их статистическая модель не прошла тест. Несмотря на ровный сигнал темной материи, модель дала зернистый результат с преобладанием пульсара. Они увеличили свой сигнал темной материи в четыре раза больше фактического GCE, но их модель не смогла его обнаружить.
«К тому моменту я был очень взволнован, потому что я знал, что последствия были очень большими - это означало, что объяснение темной материи вернулось к столу», - говорит Лин.
Если эти новейшие результаты верны, то это большое дело.
«Если это действительно темная материя, то это будет первое доказательство того, что темная материя взаимодействует с видимой материей с помощью сил, отличных от гравитации», - говорит Лин. «Природа темной материи является одним из самых больших открытых вопросов в физике на данный момент. Идентификация этого сигнала как темной материи может позволить нам наконец разоблачить фундаментальную идентичность темной материи. Независимо от того, что окажется излишком, мы узнаем что-то новое о вселенной ».
«Захватывающе то, что мы подумали, что исключили возможность того, что это темная материя», - сказал Слатьер в пресс-релизе. «Но теперь есть лазейка, систематическая ошибка в заявлении, которое мы сделали. Он открывает дверь, чтобы получить сигнал от темной материи ».
Этот новый результат опубликован в журнале Physical Review Letters 'за 11 декабря.
Больше:
- Пресс-релиз MIT: есть ли темная материя в центре Млечного Пути?
- Исследовательская работа: Возрождение гипотезы темной материи для избытка гамма-излучения Галактического центра
- Википедия: Слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP)
