Puno je misterioznih događanja u središtu Mliječnog puta. Supermasivna crna rupa koja tamo živi glavna je među njima. Ali tu je i druga intrigantna zagonetka: neočekivano sferično područje intenzivnih emisija gama zraka.
Novo istraživanje sugerira da bi iza tih emisija mogla stajati tamna tvar.
U svemiru postoji puno izvora gama zraka i većina ih se dobro razumije. Pulsari, magnetari i kvazari proizvode gama zrake. No, mogu li oni objasniti gama zrake koje dolaze iz središta naše galaksije?
Gama zrake su snažne. Oni su oblik prodora elektromagnetskog zračenja proizveden od najenergičnijih pojava u Svemiru. Oni imaju najkraću valnu duljinu bilo koje vrste elektromagnetskog zračenja i najveću energiju fotona.
Višak gama zraka u srcu Mliječnog puta poznat je fizičarima i nazivaju ga viškom galaktičkog centra (GCE.) Znamo mnogo o Mliječnom putu, a to je znanje suzilo objašnjenja za GCE sve do dvije vodeće mogućnosti: ili populacija pulsara, koje se brzo okreću neutronske zvijezde, ili tamna tvar. Fizičari smatraju da ako je tamna tvar, ona postoji u gustom oblaku u središtu galaksije, sudara se sa sobom i uništava se kako bi proizvela gama zrake.
U 2015. godini, studija je pokazala da su izvor za GCE u stvari pulsari, a tamna tvar nije bila uključena. To je istraživanje stiglo od tima istraživača s Princetona i MIT-a, uključujući izvanrednu profesoricu fizike Tracy Slatyer. Koristili su promatranja galaktičkog centra snimljena svemirskim teleskopom Fermi gama, zajedno s modelom koji opisuje sve interakcije u Mliječnom putu koje bi mogle proizvesti gama zrake. Zaključili su da su odgovorni pulsari.
No, nova studija, koja je također uključivala Slatyera s MIT-a, poništila je te rezultate i ukazala na tamnu tvar kao izvor svih tih gama zraka.
Nova studija naslovljena je "Oživljavanje hipoteze tamne materije za višak galaktičkog centra Galaktičkog centra" i objavljena je u Fizičkim preglednim pismima. Autori su Tracy Slatyer iz Centra za teorijsku fiziku na MIT-u i Rebecca Leane sa Prirodnih škola, Institut za napredne studije. Njihova studija kaže da postoji problem s onim starijim, a njegovi rezultati su nepouzdani. Doprinos tamne materije GCE-u mogao je proći nezapaženo.
Poteškoća u sužavanju GCE na pulsar ili tamnu materiju svodi se na način emitiranja fotona i na našu tehnološku sposobnost otkrivanja. Gama zrake iz tamne materije bile bi difuzne, dok bi one iz pulsara bile više koncentrirani točkasti izvori. U 2015. godini pojavljuju se difuzno sve gama zrake, ali to bi moglo biti zato što se točkasti izvori pojavljuju difuzno na naše teleskope, koji imaju ograničenu prostornu razlučivost. U 2015. godini, istraživači su zaključili da su odgovorni pulsari.
Mliječni put je više ili manje ravan, u sredini je ispupčen. Gama zrake zauzimaju sferno područje u centru u radijusu od oko 5.000 svjetlosnih godina. Metoda koju su Slatyer i njezini kolege razvili 2015. pokušali su razriješiti je li ovo sferno područje glatko ili je zrnato. Njihovo je obrazloženje bilo da ako su pulsari izvor gama zraka, tada bi te gama zrake trebale učiniti da ta sferna regija izgleda zrnato. Bila bi tamna praznina između gama zraka gdje nije bilo izvora pulsara.
Ali kad bi gama zrake došle iz tamne materije, tada bi sferna regija bila glatka. "Svaka crta vida prema galaktičkom središtu vjerojatno ima čestice tamne materije, tako da ne bih trebao vidjeti nikakve praznine ili hladne mrlje u signalu", objasnio je Slatyer.
Razvili su model koji je obračunavao svu tvar i plin u Mliječnom putu i sve interakcije čestica koje su mogle proizvesti gama zrake. Zatim su razmotrili modele za sfernu regiju GCE-a koji su ili zrnati ili glatki, i statističku metodu kako ih razdvojiti. Zatim su uzeli taj model i u njega unijeli stvarna promatranja svemirskog teleskopa Fermi Gamma-zraka, kako bi vidjeli jesu li opažanja u zrnat ili u glatki profil.
Ako se opažanja stave u zrnat profil, tada bi pulsari mogli objasniti gama zrake. Ako se uklapaju u glatki profil, onda bi ih tamna tvar mogla objasniti. Zrnati profil bio je neodoljiv dojam.
"Vidjeli smo da je 100 posto zrnato, pa smo rekli:" oh, tamna materija to ne može učiniti, pa mora biti nešto drugo ", prisjeća se Slatyer. „Nadam se da će ovo biti samo prvo od mnogih istraživanja regije galaktičkog središta koristeći slične tehnike. Ali do 2018. godine, glavna unakrsna provjera ove metode i dalje je bila ona koju smo napravili 2015. godine, što me prilično nerviralo da smo možda nešto propustili. "
Na kraju su Slatyer i Leane odlučili testirati model. Slatyer je bio zabrinut što možda nije dovoljno čvrst. Odlučili su stvoriti „lažnu“ kartu neba, uključujući signal tamne materije i pulsare koji nisu bili povezani sa GCE. Ubacili su ga u model i iako su njihovi podaci sadržavali lažni signal tamne materije, model je zaključio da je zrnast, te stoga dominira pulsar. Prema Slatyerovoj tvrdnji, to je bio dokaz da njihov model nije glup i da tamna tvar još uvijek ima ulogu u GCE-u.
"Ako je stvarno tamna tvar, ovo bi bio prvi dokaz da tamna tvar djeluje s vidljivom materijom pomoću sila koje nisu gravitacijske."
Rebecca Leane, koautorica, Prirodoslovno-matematička škola, Institut za napredne studije.
Tada je jedan kolega predložio da istraživači dodaju lažni signal tamne materije u kombinaciji s stvarnim Fermijevim opažanjima kako bi testirali svoj model, umjesto lažne pozadinske karte.
Oni su to učinili, a njihov statistički model nije uspio na testu. Unatoč signalu glatke tamne materije, model je vratio zrnast rezultat u kojem dominira pulsar. Oni su aktivirali signal svoje tamne materije do četiri puta veće od stvarnog GCE-a i dalje ih njihov model nije uspio otkriti.
"" Do te faze bila sam prilično uzbuđena, jer sam znala da su implikacije vrlo velike - to znači da je objašnjenje tamne materije bilo na stolu ", kaže Leane.
Ako su ovi najnoviji rezultati točni, velika je stvar.
"Ako je stvarno tamna tvar, ovo bi bio prvi dokaz da tamna tvar djeluje na vidljivu tvar silama osim gravitacije", kaže Leane. "Priroda tamne materije trenutno je jedno od najvećih otvorenih pitanja u fizici. Identificiranje ovog signala kao tamne materije moglo bi nam omogućiti konačno otkrivanje temeljnog identiteta tamne materije. Bez obzira kakav je višak, naučit ćemo nešto novo o svemiru. "
"Uzbudljivo je to što smo mislili da smo uklonili mogućnost da je to tamna materija", rekao je Slatyer u priopćenju za javnost. "Ali sada postoji rupa, sustavna greška u zahtjevu koji smo napravili. Otvara vrata za signal koji dolazi iz tamne materije. "
Ovaj novi rezultat objavljen je u broju časopisa Physical Review Letters, 11. prosinca.
Više:
- MIT Press Release: Postoji li tamna tvar u središtu Mliječnog puta?
- Istraživački rad: Hipoteza oživljavanja tamne materije za višak galaktičkog centra Galaktičkog centra
- Wikipedija: Slabo interaktivne masivne čestice (WIMP-ovi)
