Новые анализы ставят вопрос о том, является ли таинственное гамма-и рентгеновское излучение в галактике действительно невидимой массой
Новые анализы ставят вопрос о том, является ли таинственное гамма-и рентгеновское излучение в галактике действительно невидимой массой
Мы знаем, что это там, но мы не знаем, что это такое: это невидимое вещество - темная материя. Ученые уверены, что он доминирует в космосе, но его состав неясен. Некоторое время астрофизики были возбуждены двумя потенциальными сигналами темной материи в космосе: необъяснимым избытком гамма-излучения в центре Млечного пути и таинственным всплеском рентгеновского света, обнаруженным в некоторых других галактиках и скоплениях галактик. Сигналы были истолкованы как возможное свидетельство того, что темная материя уничтожает себя и распадается на разные частицы, соответственно, но две новые работы, кажется, ослабляют обе надежды. Некоторые говорят, что пришло время искать разные пути к темной материи. Другие исследователи, однако утверждают, что любой из этих сигналов может все же оказаться ответом.
Всплеск рентгеновского излучения, рассматриваемый как яркая линия излучения при энергии 3500 электрон-вольт (3,5 кэВ), был впервые обнаружен в 2014 году и теперь был обнаружен в многочисленных скоплениях галактик, а также в соседней галактике Андромеда. Волнение здесь связано с тем фактом, что один многообещающий кандидат темной материи, марка частиц, известная как стерильное нейтрино, как ожидается, естественным образом распадется на обычную материю и создаст именно такую линию излучения. Недавно Бенджамин Сафди из Мичиганского университета и его коллеги решили поискать эту линию в нашей собственной галактике, проанализировав огромный объем данных с телескопа "Рентгеновская многозеркальная миссия" (XMM-Newton). Команда взяла изображения различных объектов, собранных для других целей, и заблокировала их, чтобы вместо этого посмотреть в темном «пустом пространстве» в сторону на свет 3,5 КэВ. После накопления суммарного времени воздействия около года исследователи не обнаружили никаких признаков всплеска. Их результаты вышли сегодня в науке. «К сожалению, мы ничего не видели, - говорит Сафди, - и в результате получается, что интерпретация этой линии темной материей исключается на многие порядки».
Дело закрыто? Не совсем. Многочисленные рентгеновские астрономы не согласны с методами исследователей и говорят, что эта особенность, скорее всего, будет присутствовать в нашей галактике и все еще является сильным соперником для темной материи. «У меня есть несколько замечаний по поводу технической части статьи», - говорит Нико Каппеллути из Университета Майами. «Техника, которую они используют, не является стандартной. И поэтому я думаю, что выводы, которые они делают, немного поспешны ». Другой физик, Алексей Боярский из Лейденского университета в Нидерландах, говорит об этом более прямо. «Большинство экспертов, которых я знаю, считают, что основной результат работы неверен», - говорит он. «Я не вижу, как они могут утверждать, что эта линия не существует в этих данных».
Боярский и его сотрудники также изучили данные XMM-Newton для рентгеновской линии и выпустили документ в декабре 2018 года, утверждая, что они обнаружили его в Млечном Пути с высокой статистической значимостью. Различие, говорит он, состоит в том, что команда Сафди проанализировала слишком узкий диапазон энергий и поэтому не могла точно отделить фоновое излучение, присущее всем данным телескопа, от рассматриваемого пика. Сафди возражает, что его метод анализа, хотя и является новым для рентгеновской астрономии, зарекомендовал себя в исследованиях физики элементарных частиц, в том числе в поисках темной материи на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН близ Женевы. «Каждый раз, когда вы вносите новую аналитическую структуру в поле, много говорят о ее достоинствах. Вы что-нибудь упускаете? он говорит. «Мы считаем, что это более надежный способ анализа данных, который снижает вероятность того, что вы дурачите себя, увидев то, чего на самом деле нет». Из результатов Боярского и его коллег Сафди говорит: «Я думаю, что то, что они видят в своем анализе, - это либо статистические колебания, либо это систематическая проблема».
Тем не менее, многие ученые говорят, что рентгеновский сигнал остается многообещающим путем к темной материи. «Я думаю, что для линии 3,5 КэВ, чтобы сказать что-то значимое, нам нужны новые технологии», - Говорит Эсра Булбул из Института внеземной физики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, которая вместе со своими коллегами впервые обнаружила линию в Кластер галактик Персей в 2014 году. Миссия рентгеновской визуализации и спектроскопии (XRISM), возглавляемая Японским агентством аэрокосмических исследований и запущенная в 2022 году, должна предоставить убедительные доказательства того, существует ли этот сигнал и соответствует ли он ожидаемым характеристикам темной материи. «До этого я не буду убежден, что происхождение линии темной материи исключено», - говорит Бюльбюль.
УНИЧТОЖЕНИЕ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
Другая потенциальная связь с темной стороной, необъяснимый гамма-свет в центре нашей галактики, предполагает не распад темной материи, а разрушение. В этом случае таинственное вещество может быть как материей, так и антивеществом. Таким образом, когда две частицы темной материи встречаются, они могут уничтожать друг друга, создавая гамма-лучи в процессе. Сигнал гамма-излучения впервые был замечен в 2009 году в данных космического телескопа Гамма-излучения Ферми, и с тех пор ученые обсуждают его происхождение. Хотя свет подходит для моделей темной материи, он может быть более приземленным, возможно, созданным многими вращающимися нейтронными звездами, называемыми пульсарами в сердце Млечного Пути.
Новое исследование тщательно проанализировало картину гамма-лучей с точки зрения пространственного распространения, так и их энергии. Исследователи обнаружили, что свет соответствует форме регулярных звезд, газовой и галактической эмиссии «выпуклости» в центре нашей галактики несколько лучше, чем модели поведения побочных продуктов темной энергии. «При этом, поскольку мы лучше к этому подходим, возникает вопрос: сколько места осталось для темной материи?» говорит Кеворк Абазаджян из Калифорнийского университета, Ирвин, ведущий автор статьи, которая была представлена в Physical Review D и размещена на сервере препринтов arXiv.org. Ответ, как они обнаружили, невелик. «Мы наложили самые строгие ограничения на уничтожение темной материи».
Но и здесь ученые не готовы бросать полотенце. «В статье приводятся некоторые новые интересные доказательства, которые следует принимать во внимание», - говорит Каппеллути. «Это еще одно очень сложное измерение. Это определенно то, от чего мы не должны отказываться, и мы должны продолжать расследование ». Трейси Слатьер, физик из Массачусетского технологического института, соглашается. «Это действительно хороший анализ, но он зависит от того, достаточно ли хороши у нас галактический фон и модели сигналов», - говорит она. «Я действительно беспокоюсь, что эти модели могут быть недостаточно хороши, чтобы делать такие выводы».
В последние годы другие исследования показали, что избыток гамма-излучения в Млечном Пути, скорее всего, исходит от отдельных «точечных источников» света, таких как те, которые могут генерироваться пульсарами, а не от плавного распространения излучения, как быть созданным темной материей. Слатьер и ее М.И.Т. Коллега Ребекка Лиан, однако, обнаружила, что систематический эффект может смещать эти поиски к этому ответу и что пульсары не обязательно более предпочтительны, чем темная материя. «Этот эффект может имитировать сильное предпочтение именно тех источников ярких точек, которые были обнаружены в предыдущем анализе», - говорит Слатьер. «Это не означает, что не может быть никаких точечных источников в избытке, и это не значит, что избыток является темной материей. Но мы должны быть осторожны с любыми предыдущими анализами, в которых говорилось, что это должны быть точечные источники ».
ЭКЗИСТЕНЦИАЛЬНЫЙ КРИЗИС
В конечном счете, учёным остается поцарапать голову при крайне странном поведении 85 процентов массы во вселенной. Заставляют ли новые исследования дискредитировать предполагаемые сигналы темной материи в нашей галактике сомневаться в существовании темной материи? «Нет, - говорит Абазаджян, - темная материя частиц настолько соответствует тому, что наблюдалось, от масштаба подгалактики до горизонта космоса, что она, в основном, без сомнения, там».
Несмотря на то, что их вера в существование темной материи не поколеблена, надежда ученых на ее обнаружение может быть уменьшена. Астрофизические доказательства не только неуловимы, но эксперименты по прямому обнаружению, направленные на улавливание ответственных частиц, до сих пор не дали результатов. И поиски на LHC также оказались пустыми. «Мы не видим их в лаборатории, мы не видим их на LHC, и мы не видим их в небе», - жалуется Абазаджиан. «В физике элементарных частиц существует своего рода экзистенциальный кризис».
А неспособность ученых найти темную материю делает ее истинную идентичность более неопределенной, чем когда-либо. Когда-то ведущие кандидаты в темную материю, слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), практически исключены из-за того, что они не были обнаружены в экспериментах по прямому обнаружению - и, возможно, из-за новых ограничений, рассчитанных в статье Абазаджяна. «Многие стандартные модели того, что люди считали темной материей, были сняты со стола», - говорит Сафди. «Многие думали, что WIMP почти наверняка существуют. В некотором смысле это удручающее время. Но, с другой стороны, это очень волнительно, потому что это означает, что мы все мозговой штурм, возвращаясь к основам, думая о том, что может быть темной материей ».
