На початку 1930-х років швейцарський астроном Фріц Цвіккі спостерігав галактики, що рухалися швидше, ніж мало б бути, з огляду на їхню масу. Це спонукало його зробити висновок про наявність певного невидимого каркасу — темної матерії, яка утримує галактики разом. Майже 100 років потому космічний гамма-телескоп NASA «Фермі», можливо, надав прямі докази її існування.

Невловима природа темної матерії

Темна матерія багато років була значною мірою загадкою з часу першої згадки про неї. Досі науковці могли спостерігати темну матерію лише опосередковано через її вплив на спостережувану матерію, зокрема через її здатність створювати достатню гравітаційну силу, щоб утримувати галактики разом.

Причина, чому темну матерію не можна спостерігати прямо, полягає в тому, що частинки, які складають темну матерію, не взаємодіють з електромагнітною силою, тобто темна матерія не поглинає, не відбиває і не випромінює світло.

Є безліч теорій, що описують природу темної матерії. Але багато дослідників підтримують гіпотезу, що цю матерію становлять масивні частинки (важчі за протони), котрі слабко взаємодіють (weakly interacting massive particles, WIMP) з іншою матерією. Попри відсутність взаємодії, згідно із передбаченнями зіткнення двох WIMPів спричиняє їхню анігіляцію й утворення інших частинок, зокрема і гамма-фотонів.

Дослідники роками через астрономічні спостереження вивчали ділянки неба, де зосереджена темна матерія, такі як центр Молочного Шляху, у пошуках цих специфічних гамма-променів.

Залежність інтенсивності гамма-випромінювання гало галактики від енергії фотона (точки даних). Червона та синя лінії позначають очікуваний спектр гамма-випромінювання, коли частинки WIMP анігілюють, спочатку утворюючи пару нижніх кварків (b) або пару W-бозонів. Ці передбачення добре узгоджуються з даними спостережень. Нижні кварки та W-бозони — це відомі елементарні частинки, включені до стандартної моделі фізики елементарних частинок. Авторські права на зображення: Tomonori Totani (Томонорі Тотані), Токійський університет. Фото з сайту https://phys.org.

Проривні спостереження за допомогою телескопа «Фермі»

На підставі аналізу даних спостережень, отриманих за допомогою космічного гамма-телескопа «Фермі», професор Томонорі Тотані (Tomonori Totani) з кафедри астрономії Токійського університету вважає: він нарешті виявив специфічні гамма-промені, котрі мають виникати через анігіляцію теоретичномпередбачених частинок темної матерії. Результати дослідження Тотані опубліковано в журналі Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

«Ми виявили гамма-промені з енергією фотонів 20 гігаелектронвольт (або 20 мільярдів електронвольт — це надзвичайно велика кількість енергії), що простягаються в галоподібній структурі до центру галактики Молочний Шлях. Компонент гамма-випромінювання точно відповідає формі, очікуваній від гало темної матерії», — сказав Тотані.

Спостережуваний енергетичний спектр, або діапазон інтенсивності гамма-випромінювання, відповідає випромінюванню, передбаченому анігіляцією гіпотетичних WIMPів, з масою приблизно в 500 разів більшою, ніж у протона. Частота анігіляції WIMP, оцінена за виміряною інтенсивністю гамма-випромінювання, також потрапляє в діапазон теоретичних прогнозів.

Важливо, що ці вимірювання гамма-випромінювання нелегко пояснити іншими, поширенішими астрономічними явищами. Тому Тотані вважає отримані дані вагомим свідченням гамма-випромінювання від темної матерії, яке шукали протягом багатьох років.

«Якщо це правильно, то це ознаменує перший випадок, наскільки мені відомо, коли людство «побачило» темну матерію. І виявляється, що темна матерія — це нова частинка, яка не включена до сучасної стандартної моделі фізики елементарних частинок. Це свідчить про важливий розвиток астрономії та фізики», — сказав Тотані.

Мапа інтенсивності гамма-випромінювання без урахування інших складових, окрім гало, охоплює приблизно 100 градусів у напрямку центра Галактики. Горизонтальна сіра смуга в центральній частині зображення відповідає ділянці галактичної площини, яку було виключено з аналізу, щоб уникнути сильного астрофізичного випромінювання. Авторські права на зображення: Tomonori Totani (Томонорі Тотані), Токійський університет. Фото з сайту https://phys.org.

Подальші кроки та наукова перевірка

Хоча Тотані впевнений, що виконані ним вимірювання гамма-випромінювання виявляють частинки темної матерії, його результати мають бути перевірені шляхом незалежного аналізу іншими дослідниками. І навіть в разі підтвердження, науковці матимуть охоту отримати додаткові докази того, що галоподібне випромінювання справді є результатом анігіляції темної матерії, а не походить від якихось інших астрономічних явищ.

Додаткові докази зіткнень WIMP в інших місцях з високою концентрацією темної матерії підтвердили б ці початкові результати. Виявлення гамма-випромінювання тієї ж енергії з карликових галактик у межах гало Молочного Шляху, наприклад, підтвердило б аналіз Тотані.

«Цього можна досягти, коли буде накопичено більше даних, і якщо так, то це надасть ще переконливіші докази того, що гамма-випромінювання походить від темної матерії», — сказав Тотані.

За інф. з сайту https://phys.org