В центъра на нашата галактика има мистериозно, дифузно сияние, излъчвано от гама-лъчи – мощно излъчване, обикновено излъчвано от високоенергийни обекти, като бързо въртящи се или експлодиращи звезди.
Космическият гама-телескоп „Ферми“ на НАСА засече сиянието малко след изстрелването си през 2008 г. и светлината оттогава озадачава учените, подтиквайки спекулации за причината ѝ.
Някои астрономи смятат, че източникът на сиянието са пулсарите – въртящите се остатъци от експлодирани звезди – докато други посочват сблъскващи се частици тъмна материя, неуловима и невидима форма на материя, за която се смята, че е пет пъти по-изобилна от обикновената материя.
Многобройни изследвания преди това са намирали подкрепа и за двете идеи, но изглежда е имало проблем с теорията за тъмната материя: гама-лъчевото сияние изглежда е съответствало на формата на галактическата издатина – пренаселена, луковична област в центъра на Млечния път, която е съставена предимно от стари звезди, включително пулсари. Това наблюдение изглежда е в подкрепа на теорията за пулсарите, като експертите предполагат, че сиянието би приело по-сферична форма, ако източникът му е бил тъмна материя. Астрономите обаче не са успели да наблюдават достатъчно от пулсарите, които биха произвеждали гама-лъчите, за да направят окончателна оценка.
Сега нови симулации, направени с помощта на суперкомпютри, показват за първи път, че сблъсъците на тъмната материя също биха могли да създадат издутото сияние, добавяйки тежест към теорията за тъмната материя.
„Намираме се в ситуация, в която имаме две теории – едната постулира тъмната материя и твърди, че тя може да обясни данните, които виждаме, а другата – старите звезди“, каза Джоузеф Силк, професор по физика и астрономия в университета „Джонс Хопкинс“ и съавтор на изследване, в което подробно се описват новите открития, публикувано в четвъртък в списанието Physical Review Letters.
„Според мен има 50% вероятност това да е тъмна материя, за разлика от малко по-баналното обяснение за стари звезди.“
Доказателства за тъмна материя биха довели до революционно откритие. Швейцарският астроном Фриц Цвики за първи път теоретизира съществуването на тъмна материя през 30-те години на миналия век, а американските астрономи Вера Рубин и У. Кент Форд я потвърждават през 70-те години на миналия век. Те забелязват, че звездите, които обикалят в орбита около спиралните галактики, се движат твърде бързо, за да бъдат държани заедно само от видимата материя и гравитацията, и постулират, че има голямо, невидимо количество материя, което им пречи да се разлетят. Въпреки десетилетията усилия, учените никога не са наблюдавали мистериозното вещество директно, откъдето идва и името му.
„Няма съмнение, че природата на тъмната материя е един от най-важните проблеми във физиката“, каза Силк. „Това е нещо, което е навсякъде – близо до нас, далеч от нас, и ние просто не знаем какво е.“
В търсене на WIMP-ове (wimp-ове)
Съществуват много хипотези за това какво би могла да представлява тъмната материя, включително останки от първични черни дупки или неоткрит вид частица. Голяма част от усилията за намиране на тъмна материя са съсредоточени върху последната идея, което води до конструирането на детектори като експеримента за тъмна материя LZ в Южна Дакота.
Инструментът е проектиран да открива едни от водещите кандидати за тъмна материя, хипотетични частици, наречени WIMPs – слабо взаимодействащи масивни частици – които не абсорбират светлина и могат да преминават през обикновената материя почти безпроблемно. Учените смятат, че когато два WIMP-а се срещнат, те се анихилират взаимно и произвеждат гама лъчи, което би ги направило правдоподобен източник на сиянието.
„Няма съмнение, че природата на тъмната материя е един от най-важните проблеми във физиката“, каза Силк. „Това е нещо, което е навсякъде – близо до нас, далеч от нас, и ние просто не знаем какво е.“
В търсене на WIMP-ове (wimp-ове)
Съществуват много хипотези за това какво би могла да представлява тъмната материя, включително останки от първични черни дупки или неоткрит вид частица. Голяма част от усилията за намиране на тъмна материя са съсредоточени върху последната идея, което води до конструирането на детектори като експеримента за тъмна материя LZ в Южна Дакота.
Инструментът е проектиран да открива едни от водещите кандидати за тъмна материя, хипотетични частици, наречени WIMPs – слабо взаимодействащи масивни частици – които не абсорбират светлина и могат да преминават през обикновената материя почти безпроблемно. Учените смятат, че когато два WIMP-а се срещнат, те се анихилират взаимно и произвеждат гама лъчи, което би ги направило правдоподобен източник на сиянието.
Проучването на Силк използва суперкомпютри, за да създаде карта на това къде трябва да се намира тъмната материя в Млечния път, като се вземе предвид как първоначално се е образувала галактиката.
„Проблемът беше, че всички модели през последните 20 години на тъмната материя в нашата галактика предполагат, че тя е основно като сферична топка. Няма форма, защото това беше най-простият модел“, каза Силк.
„Нашият принос беше, за първи път, да направим истинска компютърна симулация на разпределението на тъмната материя. И ето, открихме, че централната част на тъмната материя, където биха се излъчвали гама-лъчите, всъщност е смачкана – по-скоро с форма на яйце.“ Тази смачкана форма е близко съвпадение с данните от телескопа Ферми, обясни Силк.
За щастие, потвърждението на връзката между тъмната материя и сиянието може би не е твърде далеч. Нов инструмент, обсерваторията Cherenkov Telescope Array, или CTAO, е в процес на изграждане на две площадки – едната в Чили, а другата в Испания – и ще започне да връща данни още през 2027 г. CTAO ще открива гама-лъчи с много по-висока резолюция от Fermi, каза Силк, което ще позволи да се определи дали гама-лъчите в центъра на Млечния път са продукт на сблъсъци на тъмна материя.
Това откритие би било пробив в търсенето на неуловимата субстанция, добави той, както и би предложило доказателство, че поне част от тъмната материя е съставена от WIMP-ове. Ако, напротив, CTAO не свърже сиянието с тъмната материя, учените ще се върнат в изходна точка в търсенето, като всички опции все още са на масата.
Една фундаментална тайна
„Изследването помага да се отвори отново възможността тъмната материя да обясни сиянието в нашия галактически център, въпреки че не дава нови положителни доказателства в полза на тъмната материя“, каза Трейси Слейтър, професор по физика в Масачузетския технологичен институт, която не е участвала в изследването. Тя обаче не е убедена, че има окончателно съвпадение между формата на разпределението на тъмната материя и звездната издутина. „Мислех, че хипотезата за тъмната материя е все още разумна дори преди това изследване“, добави тя.
Тази работа е допълнителна подкрепа за международните усилия за продължаване на търсенето на WIMP-ове, според Чамкаур Гаг, професор по физика и астрономия в University College London, който също не е участвал в изследването на Силк. „Те остават най-елегантното решение на дългогодишния проблем с тъмната материя“, добави Гаг по имейл, отбелязвайки, че с още повече детектори за WIMP-ове в процес на разработка, наблюдението на сигнали за анихилиране на тези частици в космоса би означавало разрешаване на близо вековната загадка на тъмната материя.
Нико Капелути, доцент в катедрата по физика в Университета в Маями, заяви, че телескопът Ферми е променил правилата на играта за НАСА и че тази статия показва, че тъмната материя все още е в надпреварата да обясни странното сияние в центъра на нашата галактика. „Тази мистерия е жива и е от онези, които държат учени като мен будни през нощта“, каза Капелути, който не е участвал в проучването.
„Разбирането какво представлява тъмната материя е било научното търсене на нашия век“, добави той, отбелязвайки, че „WIMP-ите, тези хипотетични частици, са били нашите основни заподозрени от години“. Фактът, че експерименти на Земята все още не са ги хванали, е разочароващ, каза той.
„Но Ферми ни дава причина да продължим да вярваме. Тази статия ни напомня да не зачеркваме WIMP-овете от списъка засега – те все още може да осветяват центъра на нашата галактика“, каза Капелути. „И ако това е вярно, ние сме по-близо от всякога до разкриването на фундаментална тайна на Вселената.“
