V centre Mliečnej dráhy je veľa záhadných udalostí. Supermasívna čierna diera, ktorá sa tam nachádza, je medzi nimi vedúca. Je tu však ešte jedna zaujímavá hádanka: neočakávaná sférická oblasť intenzívnych emisií gama žiarenia.
Nová štúdia naznačuje, že za týmito emisiami môže byť tmavá hmota.
Vo vesmíre je veľa zdrojov gama lúčov a väčšina z nich je dobre pochopená. Pulsary, magnetary a kvasary produkujú gama lúče. Môžu však zodpovedať za lúče gama pochádzajúce z centra našej galaxie?
Lúče gama sú silné. Sú to forma prenikajúceho elektromagnetického žiarenia produkovaného najenergetickejšími fenoménmi vo vesmíre. Majú najkratšiu vlnovú dĺžku akéhokoľvek typu elektromagnetického žiarenia a najvyššiu fotónovú energiu.
Prebytok gama lúčov v srdci Mliečnej dráhy je fyzikom známy a nazýva sa to prebytok galaktického centra (GCE). O Mliečnej dráhe vieme veľa a táto znalosť zúžila vysvetlenia pre GCE na dve hlavné možnosti: buď populácia pulzarov, ktoré sú rýchlo sa otáčajúcimi neutrónovými hviezdami, alebo tmavá hmota. Fyzici si myslia, že ak je to temná hmota, existuje v hustom oblaku v strede galaxie, zráža sa so sebou a ničí sa, čím vytvára gama lúče.
V roku 2015 štúdia preukázala, že zdrojom GCE boli v skutočnosti pulzary a nebola zapojená temná hmota. Táto štúdia prišla od tímu vedcov z Princetonu a MIT vrátane docenta fyziky Tracyho Slatyera. Použili pozorovania galaktického centra snímané pomocou Fermiho gama-vesmírneho teleskopu spolu s modelom opisujúcim všetky interakcie v Mliečnej dráhe, ktoré by mohli produkovať gama lúče. Dospeli k záveru, že za to sú zodpovedné pulzary.
Zdá sa však, že nová štúdia zahŕňajúca aj Slatyera z MIT tieto výsledky zvrátila a poukázala na temnú hmotu ako zdroj všetkých týchto gama lúčov.
Nová štúdia s názvom „Oživenie hypotézy temnej hmoty pre nadbytok gama-lúča v galaktickom centre“ je publikovaná v listoch Physical Review Letters. Autormi sú Tracy Slatyer z Centra teoretickej fyziky na MIT a Rebecca Leane z Prírodovedeckej školy, Ústav pokročilého štúdia. Podľa ich štúdie existuje problém s predchádzajúcou a jej výsledky sú nespoľahlivé. Príspevok temnej hmoty k GCE mohol zostať nepovšimnutý.
Ťažkosti so zúžením GCE na pulzary alebo temnú hmotu spôsobujú emisie fotónov a na našu technologickú schopnosť ich detekovať. Lúče gama z tmavej hmoty by boli rozptýlené, zatiaľ čo lúče z pulzárov by boli koncentrovanejšie bodové zdroje. V roku 2015 sa všetky gama lúče javili ako rozptýlené, ale mohlo by to byť preto, že bodové zdroje sa javia ako difúzne pre naše teleskopy, ktoré majú obmedzené priestorové rozlíšenie. V roku 2015 vedci dospeli k záveru, že za to zodpovedajú pulzary.
Mliečna dráha je viac-menej plochá a v strede je vydutie. Gama lúče zaberajú sférickú oblasť v strede s polomerom asi 5 000 svetelných rokov. Metóda, ktorú vyvinula Slatyer a jej kolegovia v roku 2015, sa pokúsila vyriešiť, či bol tento sférický región „hladký“ alebo ak bol „zrnitý“. Zdôvodnili to tak, že ak sú pulzary zdrojom gama lúčov, potom by tieto gama lúče mali spôsobiť, že sférická oblasť bude vyzerať zrnito. Medzi gama lúčmi by boli tmavé medzery, kde by neboli zdroje pulzaru.
Ale ak gama lúče pochádzajú z temnej hmoty, sférická oblasť by bola hladká. "Každá čiara pohľadu smerom do galaktického centra má pravdepodobne častice tmavej hmoty, takže by som nemal v signálu vidieť žiadne medzery alebo studené škvrny," vysvetlil Slatyer.
Vyvinuli model, ktorý zodpovedal za všetku hmotu a plyn v Mliečnej dráhe a za všetky interakcie častíc, ktoré by mohli produkovať gama lúče. Potom zvážili modely sférickej oblasti GCE, ktoré boli zrnité alebo hladké, a štatistickú metódu na ich odlíšenie. Potom vzali tento model a do neho nasmerovali skutočné pozorovania Fermiho gama-vesmírneho teleskopu, aby zistili, či sa pozorovania zmestia do zrnitého alebo hladkého profilu.
Ak sa pozorovania zmestia do zrnitého profilu, potom môžu pulzary vysvetliť lúče gama. Ak zapadnú do hladkého profilu, potom by ich mohla vysvetliť temná hmota. Zrnitý profil bol ohromujúci.
"Videli sme, že to bolo 100 percent zrnité, a tak sme povedali:" ó, temná hmota to nemôže urobiť, takže to musí byť niečo iné, "spomína Slatyer. „Dúfam, že to bude iba prvé z mnohých štúdií v oblasti galaktického centra využívajúcich podobné techniky. Ale do roku 2018 boli hlavnými krížovými kontrolami metódy tie, ktoré sme vykonali v roku 2015, čo ma veľmi znepokojilo, že sme niečo mohli vynechať. ““
Nakoniec sa Slatyer a Leane rozhodli model otestovať. Slatyer sa obával, že to nemusí byť dosť robustné. Rozhodli sa vytvoriť „falošnú“ mapu oblohy vrátane signálu temnej hmoty a pulzarov, ktoré neboli spojené s GCE. Krmili ho do modelu a hoci ich údaje obsahovali falošný signál tmavej hmoty, model dospel k záveru, že bol zrnitý, a preto dominoval pulzar. Podľa Slatyera to bol dôkaz toho, že ich model nebol spoľahlivý, a že v GCE stále existuje priestor pre úlohu temnej hmoty.
"Ak je to skutočne temná hmota, bol by to prvý dôkaz toho, že temná hmota interaguje s viditeľnou hmotou prostredníctvom iných síl ako gravitácie."
Rebecca Leane, spoluautorka, Prírodovedecká škola, Ústav pokročilého štúdia.
Potom kolega navrhol, aby vedci pridali falošný signál temnej hmoty kombinovaný so skutočnými pozorovaniami Fermi, aby otestovali svoj model, namiesto falošnej pozadia.
Urobili tak a ich štatistický model zlyhal v teste. Napriek hladkému signálu tmavej hmoty vrátil model zrnitý výsledok s dominanciou pulzaru. Roztočili svoj signál temnej hmoty na štvornásobok veľkosti skutočného GCE a napriek tomu ho ich model nedokázal zistiť.
"V tej fáze som bol celkom nadšený, pretože som vedel, že dôsledky sú veľmi veľké - to znamenalo, že vysvetlenie temnej hmoty bolo späť na stole," hovorí Leane.
Ak sú tieto najnovšie výsledky správne, potom je to veľká vec.
"Ak je to skutočne temná hmota, bol by to prvý dôkaz toho, že temná hmota interaguje s viditeľnou hmotou prostredníctvom iných síl ako gravitácie," hovorí Leane. „Povaha temnej hmoty je v súčasnosti jednou z najväčších otvorených otázok fyziky. Identifikácia tohto signálu ako temnej hmoty nám umožní konečne odhaliť základnú identitu temnej hmoty. Bez ohľadu na to, aký prebytok sa ukáže, dozvieme sa niečo nové o vesmíre. “
"Je vzrušujúce, že sme si mysleli, že sme vylúčili možnosť, že ide o temnú hmotu," uviedol Slatyer v tlačovej správe. „Teraz je tu však medzera, systematická chyba v tvrdení, ktoré sme urobili. Znovu otvára dvere, aby signál vychádzal z temnej hmoty. “
Tento nový výsledok je uverejnený v časopise Physical Review Letters z 11. decembra.
Viac:
- MIT Press Release: Je v strede Mliečnej dráhy tmavá hmota?
- Výskumná kniha: Oživenie hypotézy o temných veciach prebytok gama-lúča galaktického centra
- Wikipedia: Slabé interakcie masívnych častíc (WIMP)
