Centrum Drogi Mlecznej świeci w tajemniczy sposób.
Jasne, jest tam cała masa gwiazd, wraz z czarną dziurą o masie 4 miliony razy większej od masy Słońca - ale odejmując od tego wszystkiego światło, wciąż pozostaje nam tajemniczy nadmiar promieniowania gamma, który wypełnia ten region.
Nazywa się to Nadwyżką GeV Centrum Galaktycznego (GCE) i zastanawia naukowców od czasu odkrycia przez fizyków Lisę Goodenough i Dana Hoopera w 2009 roku. W danych z należącego do NASA teleskopu Fermiego znaleźli oni nadmiar promieniowania gamma - jednego z najbardziej energetycznych świateł we Wszechświecie - i nie byliśmy w stanie bezpośrednio wykryć, co jest jego przyczyną.
Teraz fizyk Mattia Di Mauro z Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej we Włoszech twierdzi, że jego analiza wskazuje na ciemną materię jako winowajcę GCE (po raz pierwszy zostało to przedstawione jako wyjaśnienie przez Goodenougha i Hoopera).
Nie wiemy, czym jest ciemna materia, wiemy tylko, że istnieje tajemnicza masa odpowiedzialna za efekty grawitacyjne, których nie da się wyjaśnić za pomocą rzeczy, które możemy bezpośrednio wykryć - normalnej materii, takiej jak gwiazdy, pył, gaz i galaktyki. Na przykład, galaktyki obracają się znacznie szybciej, niż powinny, gdyby pozostawały pod wpływem grawitacyjnym normalnej materii w nich zawartej; soczewkowanie grawitacyjne (zaginanie czasoprzestrzeni wokół masywnych obiektów) jest znacznie silniejsze, niż powinno być. Cokolwiek tworzy tę dodatkową grawitację, jest poza naszą zdolnością do bezpośredniego wykrycia.
Ciemną materię poznajemy jedynie po jej wpływie grawitacyjnym na inne obiekty, a jest jej tam bardzo dużo. Około 80 procent całej materii we Wszechświecie to ciemna materia, mimo że nie możemy jej dostrzec ani odrobiny.
Goodenough i Hooper zaproponowali, że jeśli pewne cząstki ciemnej materii zwane WIMPS (weakly interacting massive particles) i ich antycząstki zderzą się ze sobą, to anihilują się nawzajem, eksplodując w postaci deszczu innych cząstek, w tym fotonów promieniowania gamma. To wyjaśnienie, jak twierdzili, zaskakująco dobrze pasowało do danych. Inni fizycy nie byli przekonani, jeden z nich nazwał nawet to wyjaśnienie "chwiejnym".
W 2018 r. inny zespół naukowców zaproponował, że przyczyną nadmiaru mogą być bardzo stare, martwe gwiazdy zwane pulsarami, których jeszcze nie widzieliśmy. Jest to prawdopodobne, ponieważ centrum galaktyki jest zatłoczone, zapylone i bardzo energetyczne - dość łatwo byłoby przeoczyć gwiazdę lub kilka. Ostatnie badania wykazały również, że rozkład GCE nie jest gładki - jak można by się spodziewać po anihilacji ciemnej materii - ale jest w pewnym sensie zbity i upstrzony plamkami, co zespół zajmujący się pulsarami zinterpretował jako zgodne ze źródłami punktowymi, takimi jak gwiazdy.
Następnie pojawił się inny zespół, który orzekł, że plamkowate promieniowanie gamma może być produkowane przez ciemną materię, co sprawiło, że sprawa została ponownie rozpatrzona. Kolejni badacze wygenerowali serię wyczerpujących modeli centrum galaktyki z anihilacją ciemnej materii, wykorzystując zakres mas w najczęściej poszukiwanych reżimach. Stwierdzili oni, że WIMPy raczej nie są przyczyną GCE.
Wracając do Di Mauro. Jego badania porównują dane z teleskopu Fermiego z ostatnich 11 lat z pomiarami innych anomalii astronomicznych zarejestrowanych przez detektor promieniowania kosmicznego Pamela na pokładzie satelity Resurs-DK No.1 oraz eksperyment Alpha Magnetic Spectrometer na pokładzie ISS.
W szczególności, jego badanie wykorzystuje najszerszy zestaw danych z Fermiego zebranych w ciągu ostatniego roku i minimalizuje niepewności wprowadzone przez promieniowanie tła. To dostarczyło, Di Mauro informacji o przestrzennym rozkładzie GCE, które mogą pomóc wykluczyć różne wyjaśnienia.
"Gdyby nadmiar był, na przykład, spowodowany oddziaływaniem między promieniami kosmicznymi a atomami, spodziewalibyśmy się zaobserwować jego większy rozkład przestrzenny przy niższych energiach i jego mniejszą dyfuzję przy wyższych energiach spowodowaną propagacją cząstek kosmicznych. Moje badania natomiast podkreślają, jak rozkład przestrzenny nadmiaru nie zmienia się w funkcji energii".
To, powiedział, nigdy wcześniej nie było obserwowane i może być wyjaśnione przez ciemną materię, ponieważ uważamy, że cząstki ciemnej materii powinny mieć podobne energie.
"Analiza wyraźnie pokazuje, że nadmiar promieni gamma jest skoncentrowany w centrum galaktyki, dokładnie to, co spodziewalibyśmy się znaleźć w sercu Drogi Mlecznej, jeśli ciemna materia jest w rzeczywistości nowym rodzajem cząstki".
Jeśli chodzi o to, czym jest ta cząstka, to wciąż pozostaje to wielką tajemnicą. W drugim artykule wstępnym Di Mauro i jego kolega Martin Wolfgang Winkler z Uniwersytetu Sztokholmskiego w Szwecji próbowali wydobyć ją z cienia, szukając nadmiaru promieniowania gamma w pobliskich karłowatych galaktykach sferoidalnych. Nie znaleźli go, ale ta zerowa detekcja umożliwiła wyznaczenie masy cząstki ciemnej materii. Te ograniczenia, jak powiedzieli, są zgodne z GCE.
Czy to oznacza, że ciemna materia jest przyczyną GCE? Nie, ale oznacza to, że nie możemy powiedzieć, że ciemna materia nie powoduje GCE. Zasadniczo, cała ta sprawa jest tak zagadkowa jak nigdy dotąd i będziemy potrzebować prawdopodobnie dużo więcej obserwacji, aby zacząć ją rozwiązywać.
Wielu fizyków zaciera ręce z niecierpliwością.
Badania Di Mauro zostały opublikowane w Physical Review D, a druga praca jest dostępna na arXiv.
Źródło: sciencealert.com
