Астрономы давно искали способы обнаружения тёмной материи — неуловимой субстанции, которая, как считается, составляет большую часть массы Вселенной. Недавно обнаруженное интригующее свечение в гамма-диапазоне в центре Млечного Пути может стать первой важной подсказкой.
Исследователи предложили два возможных объяснения: одно связано со столкновением частиц тёмной материи, другое предполагает, что виноваты известные источники гамма-излучения, такие как пульсары или чёрные дыры. Однако новые симуляции склонили чашу весов в пользу гипотезы о тёмной материи, вселяя новую надежду в поиск этой загадочной силы.
Тайна гамма-излучения
В центре нашей галактики астрономы обнаружили необычное избыточное гамма-излучение — наиболее энергетическую форму света. Этот избыток озадачивал учёных в течение многих лет, поскольку его источник остаётся неизвестным. Явление происходит в галактическом центре — регионе, густо населённом звёздами, газом и сверхмассивной чёрной дырой Sagittarius A*. Однако исследователи не уверены, что вызывает это аномальное свечение в гамма-диапазоне.
Есть две основные теории. Одна предполагает, что в этом регионе может взаимодействовать тёмная материя, которую мы не можем наблюдать напрямую. Считается, что частицы тёмной материи сталкиваются и аннигилируют, испуская гамма-излучение в качестве побочного продукта. Другая теория предполагает, что за излучение могут быть ответственны более привычные космические источники, такие как пульсары или чёрные дыры.
Эта загадка сохраняется уже много лет, и чёткого ответа пока нет.
«Понимание природы тёмной материи, которая пронизывает нашу галактику и всю Вселенную, является одной из величайших проблем физики», — сказал Джозеф Силк, космолог из Университета Джонса Хопкинса и соавтор недавнего исследования, направленного на то, чтобы пролить новый свет на этот вопрос.
Недавняя работа, опубликованная в Physical Review Letters, приближает нас к пониманию того, может ли тёмная материя стоять за этой светящейся аномалией.
Симуляции склоняют чашу весов в сторону тёмной материи
Хотя тёмная материя так и не была обнаружена в экспериментах по её прямому обнаружению, новые компьютерные расчёты добавили веса идее о том, что она может быть ответственна за избыток гамма-излучения. Используя сложные суперкомпьютерные симуляции, исследователи смоделировали ожидаемое распределение тёмной материи в центральной области Млечного Пути. Эти симуляции показывают, что гамма-излучение, наблюдаемое космическим телескопом Fermi Gamma-ray Space Telescope, близко соответствует тому, что можно было бы ожидать, если бы тёмная материя сталкивалась и излучала свет.
«Наш ключевой новый результат заключается в том, что тёмная материя соответствует данным по гамма-излучению, по крайней мере, так же хорошо, как конкурирующая гипотеза о нейтронных звёздах», — заявил Силк. «Мы увеличили шансы на то, что тёмная материя была косвенно обнаружена».
Этот вывод, хотя и не является окончательным подтверждением, возвращает тёмную материю в обсуждение как потенциальное объяснение свечения, наблюдаемого в галактическом центре.
Загадка тёмной материи: вызов для астрофизики
Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок астрофизики. Она не излучает, не поглощает и не отражает свет, что делает её обнаружение напрямую невозможным. Вместо этого учёные делают вывод о её существовании по гравитационным эффектам, которые она оказывает на видимую материю, такую как галактики и скопления. Несмотря на десятилетия поисков, ни один эксперимент пока не увенчался успехом в обнаружении самих частиц тёмной материи.
Этот вызов связан с тем, что тёмная материя не взаимодействует со светом таким образом, который мы могли бы легко обнаружить.
«Поскольку тёмная материя не излучает и не блокирует свет, мы можем обнаружить её только через гравитационные эффекты, которые она оказывает на видимую материю», — объяснил Мооритс Михкель Муру, ведущий автор исследования.
Новые симуляции вселяют надежду на то, что косвенное обнаружение, например, с помощью наблюдения гамма-излучения, наконец-то даст нам представление о природе тёмной материи.
Роль аннигиляции тёмной материи
Одним из интригующих аспектов гипотезы о тёмной материи является потенциал частиц тёмной материи к аннигиляции друг с другом при столкновении. Этот процесс аннигиляции производит энергетические гамма-лучи, подобно взаимодействиям между протонами и антипротонами. Идея заключается в том, что частицы тёмной материи могут быть собственными античастицами, а значит, при столкновении они полностью аннигилируют, высвобождая энергию в виде гамма-излучения.
«Уникальной для простейшей гипотезы о тёмной материи является тот факт, что частицы тёмной материи считаются собственными античастицами и полностью аннигилируют при столкновении», — сказал Силк. «Только протоны и антипротоны делают что-то подобное, производя энергетические гамма-лучи, а антипротоны чрезвычайно редки».
Этот процесс аннигиляции может объяснить гамма-излучение таким образом, который не может объяснить ни один другой известный источник.
Пульсары и сверхмассивные чёрные дыры: конкурирующая гипотеза
Альтернативная гипотеза тёмной материи включает известные источники гамма-излучения, такие как пульсары и сверхмассивные чёрные дыры. Пульсары, которые представляют собой быстро вращающиеся нейтронные звёзды, излучают интенсивные пучки радиации, включая гамма-лучи. Это гамма-излучение иногда можно обнаружить с помощью телескопов, особенно в регионах с плотным населением звёзд, таких как галактический центр.
Аналогично, сверхмассивные чёрные дыры, такие как Sagittarius A*, как известно, излучают гамма-лучи в рамках своих аккреционных процессов. Однако избыток гамма-излучения, наблюдаемый в центре Млечного Пути, намного больше, чем можно было бы ожидать от известных пульсаров и чёрных дыр в этом регионе. Это несоответствие вызывает сомнения в достаточности этих объяснений, делая тёмную материю более привлекательной возможностью.