Темная материя, возможно, наконец-то была обнаружена в свечении нашей Галактики

Странное, никогда ранее не наблюдавшееся свечение в гало нашей галактики, возможно, является самой мощной «хлебной крошкой» темной материи.

Новый анализ данных за 15 лет, полученных с космического гамма-телескопа Ферми, выявил свечение необычно высоких энергий гамма-лучей, которое невозможно легко отнести к какому-либо известному источнику.

По мнению астронома Томонори Тотани из Токийского университета в Японии, это может быть быть излучением, возникающим, когда гипотетические частицы темной материи сталкиваются и уничтожают друг друга.

Это не первый раз, когда астрономы ищут такое свечение, но впервые обнаружено, что оно достигает максимума на этом конкретном энергетическом уровне в галактическом гало, большом пузыре газа и излучения, окружающем Млечный Путь.

Связано: Звездное гало Млечного Пути — это не аккуратная сфера Астрономы ожидали, что это так.

«Мы обнаружили гамма-лучи с энергией фотонов 20 гигаэлектронвольт (или 20 миллиардов электронвольт, чрезвычайно большое количество энергии), распространяющиеся в виде галоподобной структуры к центру галактики Млечный Путь», — объясняет Тотани.

«Компонент гамма-излучения близко соответствует форме, ожидаемой от гало темной материи».

Темная материя — одна из непреходящих загадок Вселенной. Она проявляется как «избыточная» гравитация, которую невозможно отнести к той сумме материи, которую мы видим.

Ученые подсчитали, что нормальная материя составляет лишь около 16 процентов распределения материи во Вселенной, а остальные 84 процента состоят из темной материи, идентичность которой неизвестна.

Одним из ведущих кандидатов на роль темной материи является гипотетический класс частиц, называемый слабовзаимодействующими массивными частицами, или вимпы. Современная теория предполагает, что когда вимпы и их античастицы сталкиваются, они аннигилируют друг друга, и в результате этого процесса образуется поток различных частиц, включая фотоны гамма-излучения, которые мы действительно можем видеть.

Это возвращает нас к нашей новейшей хлебной крошке. Если мы сможем обнаружить гамма-свечение без четко идентифицируемого источника, возможно, это свечение было вызвано аннигиляцией темной материи.

Ученые проводили поиски в этом направлении, но результаты пока неубедительны.

Одной конкретной областью интереса является центр галактики, где плотность темной материи считается особенно высокой, и сигнал о ее присутствии должен быть соответственно сильным. Действительно, там были обнаружены намеки на избыток гамма-излучения.

Галактическое гало, напротив, является относительно малоизученной областью в поисках сигнала аннигиляции темной материи. Любой такой сигнал будет намного слабее, чем сигнал из центра галактики, что значительно усложнит его обнаружение в первую очередь.

Однако гало не заполнено источниками гамма-излучения, такими как миллисекундные пульсары, которые, как считается, разбросаны по всему галактическому центру, что делает любой потенциальный сигнал более чистым.

Чтобы преодолеть проблему слабости, Тотани потребовалось несколько решений. Первым был необычный набор данных: 15 лет наблюдений, собранных телескопом большой площади Ферми.

Поскольку гало очень тусклое, гамма-лучи сравнительно немногочисленны и редки. Значительное количество их фотонов потребовалось бы для проведения статистического анализа, способного выявить избыточный сигнал. Кроме того, больший набор данных может увеличить соотношение сигнал/шум, что сделает данные более надежными.

Тотани сравнил эти данные с известными источниками гамма-излучения в галактическом гало, такими как пузыри Ферми и точечные источники. Какое бы гамма-излучение ни оставалось после учета всех этих известных источников, оно было составлено на карте.

На этой карте была показана большая сферическая, похожая на гало область слабого гамма-излучения с пиком в 20 гигаэлектронвольт – в пределах предсказанного диапазона аннигиляции вимпа. Это далеко не бесспорный факт, но он достаточно интересен, чтобы потребовать дальнейшего исследования.

«Если это правда, насколько мне известно, это будет первый раз, когда человечество «увидит» темную материю», — говорит Тотани. «И оказывается, что темная материя — это новая частица, не включенная в действующую стандартную модель физики элементарных частиц. Это означает важное достижение в астрономии и физике».

Ну, возможно. Для проверки этого открытия необходимо проделать гораздо больше работы, включая независимый анализ данных, чтобы попытаться воспроизвести его, исследования, чтобы определить, могут ли другие астрофизические процессы вызывать такое же свечение, а также поиски подобных гало в других средах, таких как карликовые галактики.

Все это займет время, вероятно, годы.

Тем не менее, избыток гамма-лучей с энергиями и формой, предсказанными для аннигиляции темной материи, является интересным шагом вперед на пути к ответ на вопрос о темной материи, впервые заданный швейцарским астрономом Фрицем Цвикки почти столетие назад.

Результат исследования был опубликован в Журнале космологии и физики астрочастиц.