Уже почти столетие исследователи ломают голову над тем, из чего состоит темная материя. Японский физик теперь считает, что он обнаружил темную материю в данных измерений из космоса. Коллеги осторожны, но интерес велик.
Около 85 процентов материи в космосе является «темной»: она проявляется только благодаря гравитации, но в отличие от обычной материи не излучает никакого излучения. Но есть небольшое исключение: когда ранее загадочные частицы темной материи сталкиваются друг с другом, они могут разрушать друг друга и производить высокоэнергетическое гамма-излучение.
Японский астрофизик Томонори Тотани обнаружил избыток гамма-излучения гало Млечного Пути, что соответствует теоретическим предсказаниям об этом так называемом аннигиляционном излучении. По словам ученого, частицы темной материи примерно в 500 раз тяжелее протонов. Технический журнал»Журнал космологии и физики астрочастиц«.
«Это будет первый раз, когда мы увидим темную материю в определенной степени», — объясняет Тотани, работающий в Токийском университете. «И это показало бы, что темная материя состоит из частиц, которые не включены в стандартную модель физики». Эта стандартная модель содержит все известные элементарные частицы и описывает, как они взаимодействуют друг с другом.
Но есть пробел: гравитация, которая играет решающую роль во Вселенной, не включена. Попытки учесть гравитацию всегда производят дополнительные частицы, которые ищут на крупных ускорителях по всему миру. Однако пока безуспешно.
Раскрыта одна из величайших загадок астрономии?
Такие ранее неизвестные частицы могли бы также решить одну из величайших загадок астрономии — темную материю. Еще в 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки, измеряя скопление галактик Кома, столкнулся со странным явлением: галактики двигались слишком быстро. Гравитации всей материи в скоплении было бы недостаточно, чтобы удерживать галактики на таких высоких скоростях — скоплению пришлось бы быстро распасться. Но никаких признаков этого не было.
Цвики пришел к выводу, что в скоплении галактик также должно быть большое количество невидимой материи. Исследователь назвал эту гипотетическую часть «темной материей» и первоначально он и его коллеги думали о сгоревших звездах или несветящихся газовых облаках. Но десятилетия исследований показали, что это не может быть нормальным явлением. Измерения космического фонового излучения также в конечном итоге показали, что 85 процентов материи в космосе должно состоять из ранее неизвестных частиц.
Среди экспертов обсуждаются многочисленные кандидаты с различными свойствами, в том числе, в частности, так называемые вимпы — слабовзаимодействующие массивные частицы. У таких частиц есть свойство, интересное для физиков: при столкновении двух из них они уничтожают друг друга и выделяется излучение. Различные проекты искали это излучение, которое возникает в высокоэнергетическом гамма-диапазоне – и пятнадцать лет назад исследователи, казалось, действительно нашли его.
Наблюдения с помощью гамма-спутника «Ферми», запущенного в 2008 году, показали излучение из центра Млечного Пути, которое первоначально интерпретировалось как аннигиляционное излучение темной материи. Но торжество наступило слишком рано: вскоре учёные поняли, что это излучение можно объяснить и нейтронными звёздами — а их, вероятно, много в центре галактики.
Тотани извлек из этого урок. Он ограничил свои поиски контрольного излучения областями неба, где должно быть мало нейтронных звезд. Исследователь использовал данные, собранные за 15 лет широкоугольным телескопом Ферми LAT, для изучения гамма-излучения гало Млечного Пути, вдали от его центра и богатого звездами диска.
Существует ли темная материя?
Тотани тщательно смоделировал все известные источники излучения высоких энергий, вычел их из измеренного излучения — и получил небольшое, но существенное превышение. Этот избыток гамма-излучения охватывает диапазон энергий от двух до 200 гигаэлектронвольт и имеет четкий максимум при 20 гигаэлектронвольт. И такое распределение энергии ожидается именно при взаимной аннигиляции вимпов, которые в 500 раз тяжелее протонов — электрически заряженных строительных блоков атомных ядер.
Так можем ли мы быть уверены на этот раз, что действительно увидим темную материю? Перед публикацией Тотани представил свои результаты своим коллегам на нескольких конференциях. Поскольку исследователь имеет хорошую репутацию как космолога-теоретика, так и практика анализа больших объемов данных, его результаты вызвали большой интерес. Тем не менее, эксперты реагируют осторожно – ведь галактический центр уже слишком рано отпраздновал событие. Но сам Тотани также осторожно говорит лишь о «возможном» обнаружении темной материи.
Теперь другим исследовательским группам предстоит самостоятельно воспроизвести его результаты. Но даже если избыток гамма-избытка подтвердится, остается вероятность того, что излучение генерируют незамеченные астрофизические явления. «Сигнал от гало сам по себе не означает явного доказательства наличия темной материи», — подчеркивает Тотани.
Поэтому он рекомендует искать это гамма-излучение, особенно в карликовых галактиках. Поскольку условия там совершенно другие, чем в Млечном Пути, он считает, что обнаружение того же типа гамма-излучения будет существенным признаком того, что оно исходит от частиц темной материи.
Райнер Кайзер, dpa/ly
