Объяснено загадочное гамма-излучение из центра Млечного Пути. Лучшим кандидатом на роль его источника оказалась незарегистрированная популяция миллисекундных пульсаров, которая формируется по «нестандартному» механизму.
Темная материя — самый значительный и загадочный «материальный» компонент нашей Вселенной. Она составляет 85 % всей гравитационной массы Вселенной, но до сих пор являются четными все попытки обнаружить его напрямую. Темная материя присутствовала на заре существования Вселенной и способствовала формированию галактик, а сейчас она «фиксирует» их содержимое гравитацией — вот практически все, что о ней известно.
Одним из кандидатов на роль темной материи являются так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP. Они могли образоваться сразу после Большого взрыва, когда энергия частиц превысила все значения, что можно достичь в коллайдерах, и после остывания образовать устойчивые скопления размером с галактику. По одной из гипотез, частицы темной материи могут быть фермионами майорана и разрушать друг друга (аннигилировать) - тогда их можно было бы обнаружить по рассеянному гамма-излучению, исходящему из областей высокой концентрации (т.е. центров галактик).
Такое излучение было обнаружено при анализе данных космического телескопа «Ферми», изучавшего небо в гамма-лучах. Избыточное излучение с энергией около двух гигаэлектронвольт исходит из нескольких центральных килопарсеков Млечного Пути и концентрируется к его центру. Полностью объяснить это превышение с помощью известных явлений не удалось, и ученые неоднократно пытались связать его с аннигиляцией темной материи.
Здесь астрономам пришлось нелегко. Масса частиц темной материи неизвестна, а энергия излучения от их аннигиляции может быть любой - в пределах от нескольких килоэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт (энергия видимого света составляет два-три электронвольта, а излучение от медицинских рентгеновских аппаратов это десятки килоэлектроновольт). Выявление их сигнала среди множества других процессов похоже на поиск иголки в стоге сена, особенно в таком неспокойном и неисследованном регионе, как центр Галактики.
Группа ученых во главе с Ануджем Гаутамом из Австралийского национального университета изучила возможные механизмы образования пульсаров, способных создавать избыток гамма-излучения. Оказалось, что ее могла пропустить неизвестная доселе популяция нейтронных звезд, существующих в центре Млечного Пути.
Нейтронные звезды, одни из самых экстремальных объектов в космосе, могут испускать высокоэнергетическое излучение многими способами, и их много в центре Галактики. Обычно они образуются при взрывах сверхновых, и пульсары с коротким периодом вращения способны генерировать именно такое излучение, что и было обнаружено при анализе данных «Ферми». Но предыдущие попытки сделать их виновниками натолкнулись на трудности.
Пульсары редко видны непосредственно с такого расстояния, но массивные звезды часто существуют в нескольких системах. Их популяция, достаточная для образования необходимого числа пульсаров, также привела бы к слишком большому количеству рентгеновских двойных звезд, и они были бы хорошо видны в центре Галактики. Кроме того, рождаясь при взрыве сверхновой, пульсары часто получают мощный выброс и разлетаются в любом направлении. Такие пульсары просто не могли «толпиться» в центре Млечного Пути.
Однако предполагаемый спектр пульсирующего излучения слишком хорошо совпадает с наблюдаемым спектром, чтобы отклоняться от этого объяснения. Ученые проверили, способны ли другие механизмы произвести достаточное количество пульсаров, и один из них действительно возник — коллапс тяжелых белых карликов, входящих в состав двойных звезд.
Обычно поглощение белым карликом вещества звезды-спутника приводит к взрывам новых, после чего аккреция возобновляется.
Но часть продуктов реакции остается на поверхности белого карлика, так что этот процесс может повторяться не вечно, а только до тех пор, пока не будет достигнут предел Чандрасекара. Приближение к нему сопровождается настолько сильным сжатием и нагревом вещества белого карлика, что вызывает термоядерную реакцию по всей его массе.
Что будет дальше, зависит от состава белого карлика: чем легче содержащиеся в нем элементы, тем больше энергии выделяется при взрыве. Углеродно-кислородные белые карлики полностью взрываются, становясь сверхновыми I типа, а кислородно-неоновые карлики, энергии взрыва которых недостаточно для полного рассеивания их вещества, коллапсируют в пульсары.
Оказалось, что таких пульсаров может накопиться в центре Млечного Пути достаточно, чтобы устранить расхождение между предсказанным гамма-излучением и наблюдаемым, а заодно объяснить рассеянное микроволновое излучение, исходящее из центра Галактики.
Таким образом, темная материя снова ускользает и все наши знания о ней, как и прежде, ограничиваются косвенными признаками. Поиски иголки в стоге сена продолжаются и приводят к появлению все новых и новых знаний о самом стоге сена.
