- 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