“Ферми” может помочь разгадать тайны темной материи

Новое исследование гамма-излучения, исходящего из центра нашей Галактики, предоставляет самые веские на сегодняшний день доказательства того, что источником части этого излучения может быть темная материя, неизвестная субстанция, которая заполняет большую часть нашей материальной Вселенной. Воспользовавшись общедоступными данными, полученными с помощью космической гамма - обсерватории НАСА “Ферми”, независимые ученые из Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб), Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), Массачусетского технологического института (MIT) и Университета Чикаго составили новые карты, наглядно демонстрирующие, что галактические центры генерируют избыточное высокоэнергетическое гамма-излучение, которое невозможно объяснить известными источниками такого излучения. Ученые полагают, что это избыточное излучение может быть связано с некоторыми формами темной материи.

"Новые карты позволяют нам проанализировать избыточное излучение и определить, уместны ли в данном случае традиционные объяснения, например, ссылающиеся на присутствие пульсаров, которые пока не обнаружены, или взаимодействие космических лучей с газовыми облакам", - поясняет Дэн Хупер (Dan Hooper), астрофизик из Фермилаб (Лаборатории имени Ферми), Батавия, штат Иллинойс, и ведущий автор исследования. "Сигнал, обнаруженный нами, невозможно объяснить с позиций предложенных на сегодняшний день альтернативных гипотез, однако он хорошо согласуется с прогнозами, получаемыми, исходя из простейших моделей темной материи". 


video

Эта анимация дает изображение Млечного Пути крупным планом в видимом свете, с наложением карты гамма-излучения галактического центра, полученной с помощью телескопа НАСА “Ферми”. Перенос исходных данных на изображение со всеми известными источниками, которые удаляют, позволяет обнаружить дополнительное (избыточное) гамма-излучение, наводящее на мысль о присутствии темной материи. 

Автор снимка: Центр космических полетов имени Годдарда, НАСА; А. Меллингер (A. Mellinger), Университет Карнеги - Меллонов (CMU); Т. Линден (T. Linden), Университет Чикаго

Галактический центр буквально “кишит” источниками гамма-излучения, от взаимодействующих двойных систем и отдельных пульсаров до остатков сверхновых и частиц, сталкивающихся с межзвездным газом. Это именно то место, где астрономы предполагают обнаружить в галактике максимально уплотненную темную материю, которая оказывает на обычную материю и излучение только гравитационное воздействие. Огромные количества темной материи притягивают обычную материю, формируя фундамент, из которого затем вырастают видимые структуры, такие как галактики.

Никто не знает истинной природы темной материи, однако в этой связи особого внимания заслуживают “вимпы” (WIMPs или Weakly Interacting Massive Particles - слабовзаимодействующие массивные частицы), представляющие главную категорию “подозреваемых”. Ученые - теоретики предположили, что существует множество типов таких вимпов (WIMP), некоторые из них подвергаются взаимной аннигиляции, другие образуют промежуточный продукт, частицу, быстро распадающуюся при столкновении. В результате обеих схем поведения генерируются космические лучи – наиболее высокоэнергетический вид излучения—с энергиями, находящимися в пределах диапазона обнаружения Большого широкоугольного телескопа “Ферми” (Large Area Telescope (LAT)).

Если астрономы исключат абсолютно все известные источники гамма-излучения из данных наблюдения галактического центра, полученных с помощью телескопа LAT, остается небольшой участок избыточного излучения. Это избыточное излучение, похоже, в наибольшей степени проявляется при энергиях 1 - 3 миллиарда электронвольт (ГэВ) – примерно в миллиард раз более высоких энергиях, чем энергия видимого света, - и распространяется в направлении от галактического центра на расстояние, по меньшей мере, 5000 световых лет.

Хупер и его коллеги пришли к выводу, что аннигиляции частиц темной материи, массы которых попадают в интервал значений 31 - 40 ГэВ, могут вносить наиболее весомый вклад в избыточное излучение, исходя из анализа гамма – спектра, его симметрии относительно галактического центра, и общей яркости. В рамках статьи, представленной в журнале “Physical Review D”, исследователи утверждают, что эти особенности трудно увязать с другими объяснениями, которые предлагались до настоящего времени, хотя ученые вполне допускают, что могут еще появиться приемлемые альтернативные объяснения, не требующие привлечения темной материи.

"Темная материя в указанном диапазоне значений масс может быть исследована прямым детектированием и с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) (Large Hadron Collider (LHC)), поэтому если это действительно темная материя, то мы уже все знаем о её взаимодействиях по той причине, что она до сих пор не обнаружена" , - говорит соавтор Трейси Слетайер (Tracy Slatyer), физик-теоретик из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже, штат Массачусетс. "Это весьма впечатляющий сигнал, и хотя дело еще не закрыто, возможно, мы когда-нибудь в будущем оглянемся назад и скажем, а ведь это было тогда, когда мы впервые наблюдали аннигиляцию темной материи".

Исследователи говорят, что потребуется еще много наблюдений – на других астрономических объектах, на Большом адронном коллайдере (БАК) или в ходе отдельных экспериментов с прямым детектированием, которые сейчас проводятся во всем мире – чтобы подтвердить их объяснение в отношении темной материи. 



Слева представлена карта гамма-излучения с энергиями 1 - 3.16 (ГэВ), регистрируемого в галактическом центре телескопом LAT “Ферми”; красный цвет указывает максимальное число. Известные пульсары обозначены. Исключение всех известных источников гамма-излучения (справа) позволяет обнаружить избыточное (дополнительное) излучение, которое могло быть вызвано аннигиляциями темной материи.

Автор снимка: Т. Линден (T. Linden), Университет Чикаго 


"Наш случай, похоже, – это доказательство методом исключения. Мы составили список, из которого вычеркивали варианты, которые не подтвердились, и таким образом, добрались до темной материи", - уточняет соавтор исследования Дуглас Финкбейнер (Douglas Finkbeiner), профессор астрономии и физики из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), также расположенного в Кембридже.

«Данное исследование – это пример инновационного метода, который был применен научным сообществом для обработки данных “Ферми”», - рассказывает Питер Михельсон (Peter Michelson), профессор физики из Стэнфордского университета в Калифорнии и научный руководитель программы с использованием LAT. "Совместные работы по обработке данных телескопа LAT“Ферми” продолжаются, при этом тщательно исследуется необыкновенно сложный центральный регион Галактики, но до тех пор, пока это исследование не будет завершено, мы не сможем ни подтвердить, ни опровергнуть результаты этого интересного анализа".

Хотя огромные количества темной материи, предположительно сосредоточенные в центре Галактики, должны обеспечить сильный сигнал, конкуренция со стороны множества других источников гамма-излучения, в любом случае усложнит его детектирование. Однако резкое изменение подхода к проблеме (по принципу: переворота с ног на голову) предлагает другой способ её решения. Вместо того, чтобы вести поиск в крупнейшем ближайшем месте сосредоточения темной материи, нужно искать там, где у сигнала будет меньше проблем.

В карликовых галактиках, обращающихся вокруг Млечного Пути, отсутствуют другие типы гамма – излучателей, но содержатся огромные для галактик такого размера количества темной материи – по сути, карликовые галактики являются самыми известными источниками, в которых изобилует темная материя. Вот, собственно, и компромиссное решение. Поскольку эти источники расположены намного дальше и содержат намного меньше совокупной темной материи, чем центр нашего Млечного Пути, то карликовые галактики генерируют существенно более слабый сигнал.

В течение последних четырех лет команда LAT вела поиски карликовых галактик, чтобы зарегистрировать сигналы темной материи. Опубликованные результаты этих исследований устанавливают точные пределы диапазонов масс и степени взаимодействия для многих предложенных вимпов ( WIMPs), даже отбрасывая некоторые модели. В самых последних полученных результатах этого исследования, которые были опубликованы в выпуске журнала “Physical Review D” от 11 февраля, команда “Ферми” отметила небольшое, но весьма интересное избыточное гамма-излучение.

"То, что мы наблюдали в карликовых галактиках, можно назвать шансом, который, вообще говоря, выпадает примерно в одном случае из 12, и это вовсе даже нельзя назвать сигналом, просто флуктуация гамма-фона", - объясняет Эллиотт Блум (Elliott Bloom), участник совместной программы LAT из Института астрофизики частиц и космологии Кавли (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology), который совместно базируется на территории Национальной ускорительной лаборатории Стэнфордского центра линейного ускорителя (SLAC) и Стэнфордского университета. Если это действительно так, то сигнал должен усилиться, так как “Ферми” будет вести дополнительные наблюдения еще несколько лет и в новых широкоугольных астрономических обзорах обнаружатся новые карлики. "Если мы в конечном счете увидим значительный сигнал”, - добавляет он,- "это будет достаточно веским подтверждением того, что сигнал, генерируемый темной материей в галактическом центре, предъявлен."


© Авторское право (c) NASA
Переводчик: Дорохова Елена (бюро переводов «Гольфстрим»)