Охота за самым загадочным материалом Вселенной может быть завершена
На протяжении почти столетия тёмная материя остаётся загадкой. Несмотря на пятикратное превосходство над обычной материей, её невозможно увидеть, потрогать или обнаружить ни одним из известных методов.
Теперь, по утверждениям авторов смелого нового анализа 15-летних данных, полученных с космического гамма-телескопа «Ферми» НАСА, удалось заглянуть вглубь этого мира.
В новом исследовании сообщается об обнаружении загадочного галообразного свечения гамма-лучей вокруг Млечного Пути, резко достигающего пика при энергиях, которые близко соответствуют типу сигнала, ожидаемого от определенного типа гипотетических частиц темной материи.
Такие частицы, известные как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), могут производить гамма-лучи, сталкиваясь друг с другом в процессе, известном как аннигиляция.
«Если это правда, то, насколько мне известно, это будет первый раз, когда человечество «увидит» темную материю», — сказал профессор Томонори Тотани , астроном Токийского университета и автор исследования.
В интервью BBC Science Focus он добавил: «Когда я впервые заметил что-то похожее на сигнал, я отнёсся к нему скептически. Но когда я нашёл время, чтобы тщательно проверить его и убедиться в его достоверности, у меня побежали мурашки по коже».
Однако, каким бы захватывающим ни был новый сигнал, независимые эксперты утверждают, что это далеко не окончательный ответ.
Потенциальное открытие произошло почти через 100 лет после того, как швейцарский астроном Фриц Цвикки впервые выдвинул теорию о существовании темной материи, когда он заметил, что галактики в скоплении Волос Вероники движутся слишком быстро для своей видимой массы.
Исследование Тотани , опубликованное в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , проанализировало 15-летние данные телескопа Ферми, сосредоточившись на области выше и ниже основного диска Млечного Пути, известной как галактическое гало.
После тщательного моделирования и вычитания известных источников, включая взаимодействия межзвездного газа, космические лучи и огромные пузыри высокоэнергетической плазмы, обнаруженные над и под центром Млечного Пути, он обнаружил остаточный компонент, которого там быть не должно.
«Мы обнаружили гамма-излучение с энергией фотонов 20 гигаэлектронвольт (или 20 миллиардов электронвольт – чрезвычайно большое количество энергии), распространяющееся в виде галообразной структуры к центру галактики Млечный Путь», – сказал Тотани. «Форма гамма-излучения очень близка к ожидаемой для гало тёмной материи».
Гигаэлектронвольт, или ГэВ, — это единица, которую физики используют для измерения энергии субатомных частиц. Она примерно в миллиард раз превышает энергию, получаемую одним электроном при движении по одновольтной батарейке.
Возможный сигнал тёмной материи, обнаруженный Тотани, резко возрастает от нескольких ГэВ, достигает пика примерно при 20 ГэВ и снова падает. Эта кривая соответствует прогнозам для вимпов с массами примерно в 500 раз больше массы протона.
По мнению Тотани, эти данные убедительно свидетельствуют об аннигиляции тёмной материи. «Это знаменует собой важное достижение в астрономии и физике», — сказал он.
Однако Ян Конрад , профессор физики астрочастиц в Стокгольмском университете в Швеции и независимый эксперт по поиску темной материи с помощью гамма-излучения, призывает к осторожности.
«Как известно, делать подобные заявления на основе данных Fermi крайне сложно», — сказал он в интервью BBC Science Focus .
Действительно, это не первый раз, когда астрономы наблюдают нечто подобное. Ещё в 2009 году, всего через год после запуска телескопа «Ферми», учёные зафиксировали необъяснимый избыток гамма-излучения, исходящего из центра Галактики.
На протяжении многих лет это открытие оставалось одним из самых убедительных признаков существования тёмной материи. И всё же, по словам Конрада, спустя 16 лет научное сообщество так и не пришло к единому мнению, является ли этот сигнал тёмной материей.
«Это тоже приписывалось тёмной материи», — говорит он. «И с тех пор, благодаря накоплению данных и совершенствованию методов, до сих пор не ясно, может ли там быть тёмная материя».
Он отметил, что даже сегодня исследователи, которые уже более десятилетия пытаются опровергнуть гипотезу об избытке энергии в центре галактики, не смогли убедительно доказать, что она имеет астрофизическое происхождение (не из источников тёмной материи), но они также не могут доказать, что это именно тёмная материя. Вопрос остаётся нерешённым.
Конрад отметил, что новый сигнал в гало изучен гораздо меньше, и, вероятно, для его подтверждения потребуются годы дополнительных исследований. Как новый избыток гало, так и давно обсуждаемый сигнал из центра галактики имеют общую фундаментальную проблему: шум.
В этих регионах гамма-излучение, которое может быть результатом аннигиляции тёмной материи, может также исходить из множества других источников, многие из которых сами по себе до конца не изучены. Это делает сделать однозначные выводы исключительно сложными.
«Поскольку происхождение астрофизических источников настолько неопределенно, делать какие-либо обоснованные заявления крайне сложно», — сказал Конрад.
Несмотря на разную степень уверенности, Тотани и Конрад указывают на один и тот же следующий шаг: карликовые галактики.
Эти небольшие, тусклые галактики, вращающиеся вокруг Млечного Пути, считаются чрезвычайно богатыми тёмной материей, однако их астрофизический фон гамма-излучения минимален. Это делает их одной из самых чистых лабораторий для изучения аннигиляции тёмной материи.
«Если вы увидите подобный избыток в карликовых галактиках, это будет весомым намёком», — сказал Конрад. «Карликовые галактики гораздо чище, так что это может быть подтверждением».
Тотани согласился: «Если результат этого исследования верен, неудивительно будет обнаружить гамма-лучи и от карликовых галактик».
Но золотое подтверждение открытий Тотани может оказаться гораздо ближе. Сегодня эксперименты, проводимые глубоко под землёй с целью обнаружения тёмной материи, можно найти по всему миру.
«Если бы вы увидели там сигнал, соответствующий WIMP той же массы… это было бы очень, очень веским аргументом в пользу этого, потому что он намного чище», — говорит Конрад.
А в ближайшие годы обсерватория нового поколения с черенковскими телескопами (CTAO) значительно увеличит чувствительность к гамма-лучам высокой энергии, что позволит исследователям еще более детально изучать сигнал гало.
«Конечно, если это правда, это великое открытие», — сказал Конрад. «Мы до сих пор не знаем, что такое тёмная материя. Однозначный сигнал о частицах тёмной материи был бы фантастикой — это ясно», — сказал Конрад. «Но требуется гораздо больше исследований, чтобы оценить, чем ещё можно объяснить этот избыток».
