W centrum Drogi Mlecznej dzieje się wiele tajemniczych wydarzeń. Znajdująca się tam supermasywna czarna dziura jest wśród nich najważniejsza. Ale jest jeszcze jedna intrygująca zagadka: nieoczekiwany kulisty region intensywnych emisji promieniowania gamma.
Nowe badanie sugeruje, że ciemna materia może być przyczyną tych emisji.
We wszechświecie istnieje wiele źródeł promieniowania gamma, a większość z nich jest dobrze poznana. Pulsary, magnetary i kwazary wytwarzają promienie gamma. Ale czy mogą one uwzględniać promienie gamma pochodzące z centrum naszej galaktyki?
Promienie gamma są silne. Są rodzajem przenikającego promieniowania elektromagnetycznego wytwarzanego przez najbardziej energetyczne zjawiska we Wszechświecie. Mają najkrótsze długości fali dowolnego rodzaju promieniowania elektromagnetycznego i najwyższą energię fotonu.
Nadmiar promieni gamma w sercu Drogi Mlecznej jest znany fizykom i nazywają to nadmiarem centrum galaktycznego (GCE). Wiemy dużo o Drodze Mlecznej i ta wiedza zawęziła wyjaśnienia GCE do dwie wiodące możliwości: albo populacja pulsarów, które są szybko wirującymi gwiazdami neutronowymi, albo ciemna materia. Fizycy sądzą, że jeśli jest to ciemna materia, to istnieje ona w gęstej chmurze w centrum galaktyki, zderzając się ze sobą i unicestwiając się, by wytworzyć promienie gamma.
W 2015 r. Badanie wykazało, że źródłem GCE były w rzeczywistości pulsary i ciemna materia nie była zaangażowana. Badanie pochodziło od zespołu naukowców z Princeton i MIT, w tym profesora fizyki Tracy Slatyer. Wykorzystali obserwacje centrum galaktycznego wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Gamma Fermi wraz z modelem opisującym wszystkie interakcje w Drodze Mlecznej, które mogą wytwarzać promienie gamma. Doszli do wniosku, że pulsary są odpowiedzialne.
Ale nowe badanie, obejmujące również Slatyera z MIT, wydaje się obalić te wyniki i wskazać ciemną materię jako źródło wszystkich tych promieni gamma.
Nowe badanie zatytułowane jest „Hipoteza o odrodzeniu ciemnej materii dla nadmiaru promieniowania gamma w centrum galaktycznym” i zostało opublikowane w Physical Review Letters. Autorami są Tracy Slatyer z Centrum Fizyki Teoretycznej w MIT oraz Rebecca Leane ze Szkoły Nauk Przyrodniczych, Institute of Advanced Study. Ich badanie wskazuje, że jest problem z wcześniejszym, a jego wyniki są niewiarygodne. Wkład ciemnej materii w GCE mógł pozostać niezauważony.
Trudność zawężenia GCE do pulsarów lub ciemnej materii sprowadza się do sposobu emitowania fotonów i naszej technologicznej zdolności do ich wykrywania. Promienie gamma z ciemnej materii byłyby rozproszone, podczas gdy te z pulsarów byłyby bardziej skoncentrowanymi źródłami punktowymi. W 2015 r. Wszystkie promienie gamma były rozproszone, ale może to być spowodowane tym, że źródła punktowe wydają się rozproszone w stosunku do naszych teleskopów o ograniczonej rozdzielczości przestrzennej. W 2015 r. Naukowcy doszli do wniosku, że pulsary są odpowiedzialne.
Droga Mleczna jest mniej więcej płaska, z wybrzuszeniem pośrodku. Promienie gamma zajmują sferyczny obszar w centrum o promieniu około 5000 lat świetlnych. Metoda opracowana przez Slatyer i jej współpracowników w 2015 r. Próbowała ustalić, czy ten sferyczny region był „gładki”, czy „ziarnisty”. Ich rozumowanie było takie, że jeśli pulsary są źródłem promieniowania gamma, wówczas te promienie gamma powinny sprawić, że ten kulisty obszar będzie wyglądał na ziarnisty. Między promieniami gamma istniałyby ciemne przerwy, w których nie byłoby źródeł pulsara.
Ale gdyby promienie gamma pochodziły z ciemnej materii, wówczas sferyczny obszar byłby gładki. „Każda linia wzroku w kierunku centrum galaktyki prawdopodobnie ma cząstki ciemnej materii, więc nie powinienem widzieć żadnych przerw ani zimnych punktów w sygnale” - wyjaśnił Slatyer.
Opracowali model uwzględniający całą materię i gaz w Drodze Mlecznej oraz wszystkie interakcje cząstek, które mogą wytwarzać promienie gamma. Następnie rozważyli modele sferycznego regionu GCE, które były albo ziarniste, albo gładkie, oraz statystyczną metodę ich rozróżnienia. Następnie wzięli ten model i wprowadzili do niego rzeczywiste obserwacje Fermi Gamma-Telescope Space Telescope, aby sprawdzić, czy obserwacje pasują do ziarnistego czy gładkiego profilu.
Jeśli obserwacje pasują do ziarnistego profilu, pulsary mogłyby wyjaśnić promienie gamma. Jeśli pasują do gładkiego profilu, ciemna materia może je wyjaśnić. Ziarnisty profil był przytłaczający.
„Widzieliśmy, że było w 100 procentach ziarniste, więc powiedzieliśmy:„ och, ciemna materia nie może tego zrobić, więc musi to być coś innego ”, wspomina Slatyer. „Miałem nadzieję, że będzie to tylko pierwsze z wielu badań regionu centrum galaktyki z wykorzystaniem podobnych technik. Ale do 2018 r. Główne kontrole krzyżowe metody były nadal tymi, które przeprowadziliśmy w 2015 r., Co bardzo mnie zdenerwowało, że mogliśmy coś przeoczyć ”.
W końcu Slatyer i Leane postanowili przetestować model. Slatyer martwił się, że może nie być wystarczająco solidny. Postanowili stworzyć „fałszywą” mapę nieba, w tym sygnał ciemnej materii i pulsary, które nie były powiązane z GCE. Wprowadzili go do modelu i chociaż ich dane zawierały fałszywy sygnał ciemnej materii, model doszedł do wniosku, że był ziarnisty, a zatem zdominowany przez pulsar. Według Slatyera był to dowód na to, że ich model nie był niezawodny i że w GCE jest jeszcze miejsce na ciemną materię.
„Jeśli to naprawdę ciemna materia, byłby to pierwszy dowód na to, że ciemna materia wchodzi w interakcje z materią widzialną za pośrednictwem sił innych niż grawitacja”.
Rebecca Leane, współautorka, School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study.
Następnie kolega zasugerował, że badacze dodają fałszywy sygnał ciemnej materii w połączeniu z prawdziwymi obserwacjami Fermiego, aby przetestować swój model, zamiast z fałszywą mapą tła.
Zrobili to, a ich model statystyczny nie przeszedł testu. Pomimo gładkiego sygnału ciemnej materii model zwrócił ziarnisty wynik zdominowany przez pulsar. Podnieśli sygnał ciemnej materii czterokrotnie większy niż rzeczywisty GCE, a mimo to ich model go nie wykrył.
„„ Na tym etapie byłem bardzo podekscytowany, ponieważ wiedziałem, że implikacje były bardzo duże - oznaczało to, że wyjaśnienie ciemnej materii wróciło na stół ”, mówi Leane.
Jeśli te najnowsze wyniki są poprawne, to duża sprawa.
„Jeśli to naprawdę ciemna materia, byłby to pierwszy dowód na to, że ciemna materia wchodzi w interakcje z materią widzialną za pośrednictwem sił innych niż grawitacja” - mówi Leane. „Natura ciemnej materii jest obecnie jednym z największych otwartych pytań w fizyce. Zidentyfikowanie tego sygnału jako ciemnej materii może pozwolić nam w końcu odsłonić podstawową tożsamość ciemnej materii. Bez względu na to, jaki będzie nadmiar, dowiemy się czegoś nowego o wszechświecie. ”
„To ekscytujące, ponieważ myśleliśmy, że wyeliminowaliśmy możliwość, że jest to ciemna materia”, powiedział Slatyer w komunikacie prasowym. „Ale teraz jest luka, systematyczny błąd w naszym twierdzeniu. Ponownie otwiera drzwi na sygnał pochodzący z ciemnej materii. ”
Ten nowy wynik został opublikowany w czasopiśmie Physical Review Letters z 11 grudnia.
Więcej:
- Informacja prasowa MIT: Czy w centrum Drogi Mlecznej jest ciemna materia?
- Artykuł badawczy: Odrodzenie hipotezy ciemnej materii dla galaktycznego centrum Nadmiar promieniowania gamma
- Wikipedia: słabo oddziaływujące ogromne cząstki (WIMP)
