- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Гамма-излучение из центра Галактики не связано с темной материей

Основная часть гамма-излучения, исходящего из центра нашей Галактики, порождается, вероятно, не столкновениями частиц темной материи, а пульсарами или другими астрофизическими феноменами. Это подтвердилось в результате модельных экспериментов двух независимых научных групп — американской (из Принстонского университета и Массачусетского технологического института) [1] и европейской (из Амстердамского университета в Нидерландах) [2].

То, что центр Млечного Пути перенасыщен темной материей, следует из простой логики: именно там сконцентрирована основная масса Галактики, там находятся сверхмассивная черная дыра, самые плотные скопления звезд и газопылевых облаков. Скопления же темной материи естественным образом тяготеют к скоплениям обычной. Разумеется, наблюдение столкновений частиц темной материи стало бы важнейшей вехой в понимании устройства нашего мира, в котором темная материя заметно преобладает над обычной, так называемой барионной.

Частицы темной материи, как полагают, составляют около 85% от всей массы Вселенной (темной энергии, впрочем, еще больше, чем темной материи). К сожалению, до сих пор темную материю не удается обнаружить непосредственным образом, так как с обычной она взаимодействует почти исключительно за счет гравитации. Однако в соответствии с общепринятой теперь моделью, столкновение двух частиц темной материи, так называемых вимпов (WIMPs, от англ. Weakly Interacting Massive Particle — слабовзаимодействующая массивная частица), должно приводить к взаимному уничтожению (аннигиляции) с рождением высокоэнергичных гамма-квантов. Тем самым существование невидимок все-таки может быть зарегистрировано.

Чтобы выявить эти потенциальные сигналы от темной материи на фоне прочих источников, обращаются к современным методам обработки изображений. Можно, скажем, моделировать вид нужных участков в гамма-лучах от разных возможных источников и сравнивать эти изображения с реальными данными. В настоящее время самые актуальные в этом смысле данные — от космического гамма-телескопа «Ферми» (Fermi-LAT).

Исследования двух независимых групп из США и Нидерландов показывают, что наблюдаемый избыток гамма-лучей из внутренней части Галактики, вероятно, не обусловлен столкновениями частиц темной материи. Лучшими кандидатами теперь считаются миллисекундные пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды. Американской и европейской группами использованы две различные методики — соответственно, анализ непуассоновского шума (non-Poissonian noise) у американцев и анализ сигналов с помощью вейвлет-преобразования (wavelet transformation) и статистики гауссовских случайных полей у европейцев. Свои статистические модели исследователи сравнивали с изображениями, полученными телескопом «Ферми». Изображение: Christoph Weniger, University of Amsterdam [3]

Исследования двух независимых групп из США и Нидерландов показывают, что наблюдаемый избыток гамма-лучей из внутренней части Галактики, вероятно, не обусловлен столкновениями частиц темной материи. Лучшими кандидатами теперь считаются миллисекундные пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды. Американской и европейской группами использованы две различные методики — соответственно, анализ непуассоновского шума (non-Poissonian noise) у американцев и анализ сигналов с помощью вейвлет-преобразования (wavelet transformation) и статистики гауссовских случайных полей у европейцев. Свои статистические модели исследователи сравнивали с изображениями, полученными телескопом «Ферми». Изображение: Christoph Weniger, University of Amsterdam [3]

Наблюдения показывали избыток гамма-квантов с энергиями порядка нескольких гигаэлектронвольт, приходящих из центра Галактики (см. изображение). Был даже загадочный пик в районе 130 ГэВ в данных «Ферми», который со временем «рассосался», и др. (см. врезку). Возникали предположения, что это хотя бы отчасти может быть объяснено с помощью диффузного потока, который ожидался от аннигиляции частиц темной материи. Согласно такой модели, возникающее в результате гамма-излучение должно иметь именно диффузионный характер, и на снимках в гамма-лучах должно присутствовать почти равномерное свечение, а не отдельные яркие источники (что было бы характерно скорее для пульсаров).

Если темная материя распадается на обычные частицы, в частности на гамма-кванты, то последние можно обнаружить в космосе. Уже было несколько не подтвердившихся заявлений по этому поводу.

  • Утверждалось, что вклад от распада темной материи видят в данных космического гамма-телескопа EGRET, но потом выяснилось, что это результат неправильного учета свойств детектора.
  • Утверждалось, что космический спектрометр PAMELA регистрирует избыток позитронов, каковой объясняется распадом темной материи, но оказалось, что позитроны неплохо объясняются и обычными астрофизическими источниками.
  • Утверждалось, что космический гамма-телескоп «Ферми» «увидел» особенность в спектре электронов больших энергий. Но после тщательной калибровки инструмента особенность «рассосалась».
  • Наконец, в данных «Ферми» нашли пик в спектре гамма-квантов высоких энергий, летящих от центра нашей Галактики. Это приписали аннигиляции частиц темной материи. Уже вышли десятки, если не сотни работ на эту тему. Автор недавно (в январе 2013 года) собственноручно проверил этот пик по открытым данным — вместо того чтобы стать более значимым за последний год наблюдений, пик этот тоже практически «обнулился». То есть это была статистическая флуктуация.

Таким образом, темная материя пока старательно ускользает от нас.

Штерн Б. Е. Прорыв за край мира. Троицкий вариант, 2014

В принципе, наблюдаемая картина не противоречила предположениям о том, что мы наблюдаем именно распад вимпов. Однако логично было бы исключить иные возможности, те же пульсары, и вот теперь моделирование изображений от точечных источников заставило ученых склониться все-таки в пользу последних. Почему? Дело в том, что для современных наблюдательных инструментов гипотетическая популяция из четырех сотен миллисекундных пульсаров со статистической значимостью 10,8 σ (10,8 сигма) может объяснить 100% наблюдаемого избытка излучения (для правдоподобных значений функции светимости).

Считается, что миллисекундные пульсары относятся в основном к старшим поколениям пульсаров, их чрезвычайно большая скорость вращения — следствие постепенной раскрутки от аккреции вещества с соседних звезд. Больше всего таких объектов рождается в плотных шаровых скоплениях, но и звездные теснины в центре Галактики в этом смысле более чем подходящее место. Излучение от пульсаров может выглядеть диффузным просто потому, что отдельные источники сливаются между собой из-за недостаточного пространственного разрешения телескопов. Значит, привлекать «новую сущность» в виде темной материи не имеет смысла (во всяком случае, пока). Об этом две группы и сообщили 4 февраля 2016 года в журнале Physical Review Letters.

Вероятно, новые радиотелескопы с лучшим пространственным разрешением и чувствительностью позволят наконец различить искомые точечные источники (пульсары), испускающие также и гамма-кванты (уже сейчас речь идет о подпороговых значениях), тем самым можно будет наложить более жесткие ограничения на возможный вклад в гамма-излучение из галактического центра от аннигиляции частиц темной материи.

Максим Борисов

1. Lee S. K., Lisanti M., Safdi B. R., Slatyer T. R. Evidence for Unresolved γ-Ray Point Sources in the Inner Galaxy // Phys. Rev. Lett. 116, 051103 – 4 February 2016. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.051103 (доступно также на http://arxiv.org/abs/1506.05124v3).

2. Bartels R., Krishnamurthy S., Weniger C. Strong Support for the Millisecond Pulsar Origin of the Galactic Center GeV Excess // Phys. Lett. 116, 051102. 4 February 2016. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.051102 (доступно также на http://arxiv.org/abs/1506.05104v3).

3. Zandonella C. Galactic center’s gamma rays unlikely to originate from dark matter, evidence shows // Princeton University. February 4, 2016. www.princeton.edu/main/news/archive/S45/34/09S16/

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи