V središču Mlečne poti je veliko skrivnostnih dogodkov. Supermasivna črna luknja, ki tam prebiva, je glavna med njimi. Toda tu je še ena zanimiva sestavljanka: nepričakovano sferično območje intenzivnih emisij gama žarkov.
Nova študija kaže, da za temi emisijami lahko stoji temna snov.
V vesolju je veliko virov gama žarkov in večina jih je dobro razumljena. Pulsarji, magnetarji in kvazarji proizvajajo gama žarke. Toda, ali lahko upoštevajo gama žarke, ki prihajajo iz središča naše galaksije?
Gama žarki so močni. So oblika prodornega elektromagnetnega sevanja, ki ga proizvajajo najbolj energijski pojavi v vesolju. Imajo najkrajšo valovno dolžino katere koli vrste elektromagnetnega sevanja in najvišjo energijo fotona.
Presežek gama žarkov v središču Mlečne poti je znan fizikom in imenujejo ga galaktični presežek (GCE.) O Mlečni poti vemo veliko in to znanje je razloge za GCE zožilo na dve vodilni možnosti: bodisi populacija pulsarjev, ki se hitro vrtijo nevtronske zvezde, ali temna snov. Fiziki menijo, da če gre za temno snov, obstaja v gostem oblaku v središču galaksije, ko se trči sam s seboj in se uniči, da proizvaja gama žarke.
Leta 2015 je raziskava pokazala, da so bili vir GCE v resnici pulsari, temna snov pa ni bila vpletena. Ta študija je prispevala skupina raziskovalcev iz Princetona in MIT-a, med drugim tudi izredna profesorica fizike Tracy Slatyer. Uporabili so opazovanja galaktičnega centra, posnetih s vesoljskim teleskopom Fermi Gama, in model, ki opisuje vse interakcije v Mlečni poti, ki bi lahko proizvajale gama žarke. Ugotovili so, da so odgovorni pulsarji.
Toda nova študija, v katero je bil vključen tudi Slatyer z MIT-a, je te rezultate razveljavila in pokazala temno snov kot vir vseh teh gama žarkov.
Nova študija je naslovljena »Hipoteza oživitve temne materije za presežek gama-žarkov Galaktičnega centra« in je objavljena v pismih o fizičnem pregledu. Avtorja sta Tracy Slatyer s Centra za teoretično fiziko na MIT in Rebecca Leane iz Naravoslovne šole, Inštituta za napredni študij. Njihova študija pravi, da obstaja težava s prejšnjo in njeni rezultati so nezanesljivi. Prispevek temne snovi k GCE bi lahko ostal neopažen.
Težava pri zožitvi GCE na pulsarje ali temno snov se spušča na način oddajanja fotonov in na našo tehnološko sposobnost zaznavanja le-teh. Gama žarki iz temne snovi bi bili razpršeni, medtem ko bi bili tisti iz pulsarjev bolj koncentrirani točkovni viri. Leta 2015 so se vsi gama žarki pojavili difuzno, toda to bi lahko bilo zato, ker so točkovni viri difuzni na naše teleskope, ki imajo omejeno prostorsko ločljivost. Leta 2015 so raziskovalci ugotovili, da so odgovorni pulsarji.
Mlečna pot je bolj ali manj ravna, v sredini je izboklina. Gama žarki zasedajo sferično območje v središču približno 5000 svetlobnih let. Metoda, ki jo je Slatyer in njeni sodelavci razvila leta 2015, so poskušali razrešiti, če je bila ta sferična regija "gladka" ali če je "zrnata". Njihova utemeljitev je bila, da če so pulsarji vir gama žarkov, potem bi morali ti žarkovni žarki videti, da je sferično območje videti zrnato. Med gama žarki, kjer ni pulsarskih virov, bi obstajali temni razmiki.
Če pa bi gama žarki prišli iz temne snovi, bi bilo sferično območje gladko. "Vsaka vidna črta proti galaktičnemu središču verjetno ima delce temne snovi, zato ne bi smel videti vrzeli ali hladnih točk v signalu," je pojasnil Slatyer.
Razvili so model, ki je predstavljal vso snov in plin v Mlečni poti in vse interakcije delcev, ki bi lahko proizvajale gama žarke. Nato so razmislili o modelih za sferično območje GCE, ki so bodisi zrnati ali gladki, in statistično metodo, s katero bi jih ločili. Nato so vzeli ta model in vanj vnesli dejanska opazovanja vesoljskega teleskopa Fermi Gamma-ray, da bi videli, ali se opažanja prilegajo bodisi zrnatemu ali gladkemu profilu.
Če se opažanja prilegajo zrnatemu profilu, bi pulsarji lahko razložili gama žarke. Če se prilegajo gladkemu profilu, bi jih temna snov lahko pojasnila. Zrnat profil je bil nadvse prilegajoč.
"Videli smo, da je 100-odstotno zrnata, in zato smo si rekli:" o, temna materija tega ne more storiti, zato mora biti nekaj drugega, "se spominja Slatyer. "Upal sem, da bo to le prva od mnogih raziskav regije galaktičnega središča s podobnimi tehnikami. Toda do leta 2018 so bila glavna križna preverjanja metode še vedno tista, ki smo jih naredili leta 2015, zaradi česar smo bili precej živčni, da smo morda kaj zamudili. "
Sčasoma sta se Slatyer in Leane odločila preizkusiti model. Slatyer je bil zaskrbljen, da morda ni dovolj močan. Odločili so se, da bodo ustvarili "ponarejeno" karto neba, vključno s signalom temne snovi in pulsarji, ki niso bili povezani z GCE. Napakovali so ga v model in čeprav so njihovi podatki vsebovali ponarejen signal temne snovi, je model sklepal, da je zrnato in zato prevladuje pulsar. Po Slatyerjevih besedah je bil to dokaz, da njihov model ni bil brezhiben in da še vedno obstaja prostor temne snovi, da igra GCE.
"Če je res temna snov, bi bil to prvi dokaz, da temna snov deluje z vidno snovjo s pomočjo drugih sil, razen gravitacije."
Rebecca Leane, soavtorica, Naravoslovno šola, Inštitut za napredni študij.
Nato je kolega predlagal, naj raziskovalci dodajo ponarejen signal temne snovi v kombinaciji s dejanskimi Fermijevimi opazovanji, da preskusijo svoj model namesto s ponarejenim zemljevidom ozadja.
To so storili in njihov statistični model ni uspel preizkusu. Kljub gladkemu signalu temne snovi je model vrnil zrnat rezultat, kjer dominira pulsar. Svoje temne snovi so zaskočili na štirikratno velikost dejanskega GCE in še vedno jih njihov model ni zaznal.
"" Do takrat sem bil precej navdušen, saj sem vedel, da so posledice zelo velike - to je pomenilo, da je pojasnilo temne snovi spet na mizi, "pravi Leane.
Če so ti najnovejši rezultati pravilni, je velika stvar.
"Če je res temna snov, bi bil to prvi dokaz, da temna snov deluje z vidno snovjo s pomočjo drugih sil, razen gravitacije," pravi Leane "Narava temne snovi je trenutno eno največjih odprtih vprašanj v fiziki. Identifikacija tega signala kot temne snovi nam lahko končno razkrije temeljno identiteto temne snovi. Ne glede na to, kakšen presežek se izkaže, se bomo naučili nekaj novega o vesolju. "
"Vznemirljivo je, ker smo mislili, da smo odpravili možnost, da gre za temno snov," je v sporočilu za javnost dejal Slatyer. "Toda zdaj je prišlo do vrzeli, sistematične napake v trditvi, ki smo jo podali. Ponovno odpre vrata za signal, ki prihaja iz temne snovi. "
Ta novi rezultat je objavljen v reviji Physical Review Letters, 11. decembra.
Več:
- MIT sporočilo za javnost: Ali je v središču Mlečne poti temna snov?
- Raziskovalni članek: Oživitev hipoteze o temni snovi za presežek Galaktičnega centra Gamma-Ray
- Wikipedija: Slabo interaktivni masivni delci (WIMP)
