Ученые, возможно, приближаются к подтверждению существования темной материи – невидимой материи, которая, как считается, составляет более четверти Вселенной – когда они изучают рассеянное свечение гамма-лучей вблизи центра нашей галактики.
Все видимое во Вселенной состоит из обычной материи – от звезд и планет до людей, колпаков и тако. Обычную материю можно увидеть в длинах волн от инфракрасного до видимого света и гамма-лучей, но она составляет лишь около 5 процентов Вселенной. Темная материя, которая не поглощает, не отражает и не излучает свет, по-видимому, составляет около 27 процентов Вселенной, а на долю еще одного загадочного компонента, называемого темной энергией, приходится примерно 68 процентов.
Ученые уверены, что темная материя существует благодаря ее масштабному гравитационному воздействию во Вселенной. Из-за самой природы его существование трудно доказать. Но исследование избытка гамма-лучей, наблюдаемое и нанесенное на карту космическим гамма-телескопом Ферми на обширном пространстве недалеко от сердца Млечного Пути, обещает дать долгожданное подтверждение.
Ученые выдвинули два конкурирующих объяснения этих гамма-излучений.
Во-первых, они вызваны сталкивающимися частицами темной материи, собравшимися в этом галактическом регионе. Во-вторых, они вызваны классом нейтронных звезд – плотными коллапсирующими ядрами массивных звезд после их смерти – называемыми миллисекундными пульсарами, которые излучают свет во всем электромагнитном спектре, вращаясь сотни раз в секунду.
Новый комплексный анализ, включающий расширенное моделирование, взвесил достоинства этих конкурирующих гипотез и признал их одинаково вероятными. Исследование показало, что гамма-лучи, генерируемые столкновениями частиц темной материи, будут производить тот же сигнал гамма-излучения, что и наблюдаемый спутником Ферми.
«Понимание природы темной материи, которая пронизывает нашу галактику и всю Вселенную, является одной из величайших проблем физики», — сказал космолог Джозеф Силк из Университета Джона Хопкинса в Мэриленде и Института астрофизики Парижского университета/Университета Сорбонны, один из авторов исследования, опубликованного в четверг в журнале Physical Review Letters.
"Наш ключевой новый результат заключается в том, что темная материя соответствует данным гамма-излучения, по крайней мере, так же хорошо, как и конкурирующая гипотеза нейтронной звезды. Мы увеличили вероятность того, что темная материя была обнаружена косвенно", - добавил Силк.
Исследователи заявили, что самый мощный в мире наземный гамма-телескоп – Черенковская телескопическая обсерватория, строящаяся в настоящее время в Чили – может дать ответ, дифференцируя гамма-излучение от этих двух источников. Он может начать работу уже в 2026 году.
"Поскольку темная материя не излучает и не блокирует свет, мы можем обнаружить ее только через ее гравитационное воздействие на видимую материю. Несмотря на десятилетия поисков, ни один эксперимент еще не обнаружил непосредственно частицы темной материи", - сказал астрофизик и ведущий автор исследования Моориц Михкель Муру из Тартуского университета и Потсдамского института астрофизики Лейбница.
Избыток гамма-лучей наблюдался в области, простирающейся через самые внутренние 7000 световых лет галактики. Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год, 5,9 триллиона миль (9,5 триллиона км). Этот регион находится примерно в 26 000 световых годах от Земли.
Гамма-лучи обладают наименьшей длиной волны и самой высокой энергией среди всех волн электромагнитного спектра. Почему гамма-лучи могут быть свидетельством существования темной материи? Предполагается, что частицы темной материи полностью аннигилируют при столкновении, а в результате этих столкновений в качестве побочного продукта образуются гамма-лучи.
Считается, что Млечный Путь образовался в результате коллапса под силой гравитации огромного облака темной материи и обычной материи.
«Обычная материя остыла и упала в центральные области, увлекая за собой некоторую темную материю», — сказал Силк. "Уникальным для простейшей гипотезы темной материи является тот факт, что частицы темной материи считаются собственными античастицами и полностью аннигилируют при столкновении. Только протоны и антипротоны производят нечто подобное, производя энергичные гамма-лучи, а антипротоны встречаются чрезвычайно редко".
Но свечение также могло быть вызвано коллективным излучением многих тысяч до сих пор ненаблюдавшихся миллисекундных пульсаров. Спутник Ферми подтвердил, что подобные объекты являются источниками гамма-излучения, которые могли бы объяснить свечение в этой области.
