В научном мире отсутствие результата часто считается неудачей. Однако в астрофизике даже тишина может быть чрезвычайно красноречивой. Новое исследование, опубликованное в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), предлагает революционный подход к поиску одной из величайших загадок Вселенной — темной материи. Ученые утверждают: то, что мы не видим ожидаемых сигналов в определенных участках космоса, не опровергает наличие темной материи, а наоборот — раскрывает ее сложную многокомпонентную структуру.
Аномальный блеск в сердце Галактики
На протяжении десятилетий темная материя остается невидимым дирижером космоса. Мы знаем, что она существует, ведь без ее гравитационного воздействия звезды разлетелись бы в разные стороны, а галактики никогда бы не сформировались. Однако она не излучает и не поглощает свет, что делает ее невидимой для наших телескопов.
Одним из наиболее перспективных способов «увидеть» ее является поиск продуктов ее распада или аннигиляции. Согласно многим теоретическим моделям, когда две частицы темной материи сталкиваются, они уничтожают друг друга, порождая вспышку высокоэнергетического излучения — гамма-лучей.
Именно такой сигнал зафиксировал космический телескоп Fermi. В самом центре Млечного Пути наблюдается странный избыток гамма-излучения, который невозможно объяснить лишь наличием известных звезд или газа. Многие физики-теоретики ухватились за эту идею: может ли это быть первым прямым доказательством аннигиляции частиц темной материи? Однако возникла проблема, которая поставила эту теорию под сомнение.
Загадка молчаливых карликов
Гордан Крняич, физик-теоретик из Национальной лаборатории ускорителей Ферми (Fermilab), объясняет суть противоречия. Если гамма-лучи в центре нашей галактики действительно порождаются тёмной материей, то мы должны были бы видеть аналогичное свечение и в других местах, где концентрация этой субстанции высока.
Лучшими «лабораториями» для проверки этой гипотезы являются карликовые галактики. Это крошечные спутники Млечного Пути, которые почти не имеют собственного газа или молодых звезд, но буквально «набиты» темной материей. Они являются идеальным фоном: там нет пульсаров или черных дыр, которые могли бы имитировать сигнал. Однако, несмотря на годы наблюдений с помощью Fermi, карликовые галактики упорно молчат. Никакого избытка гамма-излучения там не обнаружено.
До недавнего времени это считалось приговором для теории аннигиляции: если сигнала нет в «чистых» карликовых галактиках, значит, и сигнал в центре Млечного Пути имеет какое-то другое, обычное астрофизическое происхождение (например, от мертвых звезд — пульсаров).
Два ингредиента для космической вспышки
Однако группа исследователей, в которую входят Ашер Берлин, Джошуа Фостер, Дэн Хупер и Гордан Крняич, предложила элегантный выход из этого тупика. Они предположили, что темная материя не является монолитной субстанцией, состоящей из частиц одного типа. Вместо этого она может быть смесью двух разных компонентов.
Эта модель коренным образом меняет правила игры. Представьте, что аннигиляция — это химическая реакция, для которой нужны два разных ингредиента. Если у вас есть только один тип частиц, реакция не произойдет. Чтобы произошла вспышка гамма-излучения, частица типа «А» должна найти и столкнуться с частицей типа «Б».
В больших и сложных системах, таких как Млечный Путь, эти два типа частиц могут быть перемешаны в равных пропорциях, что приводит к интенсивной аннигиляции и яркому гамма-сигналу в центре. Однако в карликовых галактиках из-за особенностей их формирования или эволюции этот баланс может быть нарушен. Если в карликовой галактике много частиц типа «А», но почти нет типа «Б», аннигиляция просто не будет происходить. Результат — полное отсутствие сигнала, несмотря на колоссальную массу темной материи.
Новая гибкость в поисках невидимого
Такая модель, которую авторы назвали «dSph-obic dark matter» (избегающая карликовых сфероидальных галактик), делает интерпретацию данных гораздо более гибкой. Она позволяет ученым не отвергать данные из центра Галактики только потому, что они не совпадают с результатами наблюдений за спутниками.
Кроме того, существуют и более старые теории, пытавшиеся объяснить этот феномен. Например, модель, где вероятность аннигиляции зависит от скорости движения частиц. Поскольку в карликовых галактиках частицы движутся медленнее, чем в центре большой галактики, сигнал там мог бы быть слабее. Но новая «двухкомпонентная» модель выглядит более устойчивой к новым данным и позволяет объяснить значительно больший диапазон наблюдений.
Будущее под прицелом Fermi
Означает ли это, что загадка разгадана? Пока нет. Это лишь теоретическая рамка, которая ждет детальной проверки. Следующим шагом станет сбор и анализ еще более точных данных от космического телескопа Fermi. Ученые надеются, что более длительные экспозиции и усовершенствованные алгоритмы обработки сигнала позволят увидеть хотя бы слабые намеки на гамма-излучение в карликовых системах.
Если же тишина сохранится, физикам придется еще глубже погрузиться в теорию многокомпонентной темной материи. Возможно, Вселенная гораздо сложнее, чем мы привыкли думать, и то, что мы называем «темной материей», представляет собой целый невидимый мир со своими типами частиц и взаимодействий.
Ранее мы сообщали о том, как Fermi обнаружил во Вселенной источник экстремальных космических частиц.
По материалам eurekalert.org
