Учёные из Университета Джонса Хопкинса, возможно, приблизились к разгадке одной из величайших тайн космоса – природы тёмной материи.
На протяжении многих лет астрономы наблюдали таинственное, слабое гамма-излучение, распространяющееся из центра нашей галактики Млечный Путь. Источник этого свечения долгое время оставался предметом дебатов, предлагая две основные версии: либо это результат столкновения частиц тёмной материи, либо излучение от быстро вращающихся нейтронных звёзд, известных как миллисекундные пульсары.
Новое исследование, опубликованное 16 октября в престижном журнале Physical Review Letters, указывает на то, что обе гипотезы на данный момент являются одинаково правдоподобными. Если избыточное гамма-излучение не объясняется активностью старых звёзд, это может стать первым убедительным доказательством существования тёмной материи.
«Тёмная материя доминирует во Вселенной, удерживая галактики вместе, – отмечает соавтор исследования Джозеф Силк, профессор физики и астрономии Университета Джонса Хопкинса, а также научный сотрудник Института астрофизики Парижа и Университета Сорбонна. – Её существование имеет колоссальное значение, и мы постоянно и отчаянно ищем способы её обнаружить. Гамма-лучи, и в особенности наблюдаемый нами избыток свечения в центре нашей галактики, могут стать нашей первой подсказкой».
Чтобы глубже изучить эту загадку, профессор Силк и международная команда учёных использовали мощные суперкомпьютеры. Они разработали модели, которые впервые учитывали раннюю историю и эволюцию Млечного Пути, чтобы предсказать наиболее вероятные места скопления тёмной материи в галактике.
Хотя сегодня Млечный Путь представляет собой относительно закрытую систему с минимальным притоком или оттоком вещества, в течение своего первого миллиарда лет он поглотил множество карликовых галактик, богатых тёмной материей. Эти слияния сформировали современную структуру нашей галактики. По мере того как частицы тёмной материи собирались и концентрировались к галактическому ядру, вероятность их столкновений возрастала.
Когда исследователи включили эти реалистичные взаимодействия в свои модели, результаты симуляций удивительно точно совпали с реальными данными гамма-излучения, полученными телескопом Fermi НАСА.
Это совпадение карт дополняет совокупность свидетельств, предполагающих, что избыточные гамма-лучи в центре Млечного Пути могут быть связаны с тёмной материей. Гамма-лучи, возникающие при столкновениях частиц тёмной материи, должны обладать теми же характеристиками и формировать тот же сигнал, что и наблюдаемые в реальности, – поясняют исследователи, – хотя это ещё не является окончательным доказательством.
Однако свет, испускаемый быстро вращающимися старыми нейтронными звёздами – миллисекундными пульсарами, – также мог бы объяснить существующую карту гамма-излучения, измерения и характер сигнала. При этом, как отмечают учёные, теория миллисекундных пульсаров имеет свои недостатки. Для того чтобы расчёты совпали, исследователям приходится предполагать существование гораздо большего числа таких пульсаров, чем было фактически обнаружено.
Ответы на эти вопросы, возможно, появятся с введением в строй нового крупного гамма-телескопа Cherenkov Telescope Array (CTA). Исследователи убеждены, что данные этого телескопа с более высоким разрешением, способного измерять высокоэнергетические сигналы, помогут астрофизикам разрешить эту парадоксальную ситуацию.
Научная группа планирует новый эксперимент, который позволит определить, обладают ли гамма-лучи из Млечного Пути более высокими энергиями, что указывало бы на их происхождение от миллисекундных пульсаров, или же являются продуктом столкновений тёмной материи с более низкой энергией.
«Чёткий, однозначный сигнал стал бы неопровержимым доказательством, на мой взгляд», – подытоживает Силк.
Тем временем учёные продолжат разрабатывать прогнозы относительно возможного местонахождения тёмной материи в нескольких отобранных карликовых галактиках, вращающихся вокруг Млечного Пути. После того как эти прогнозы будут готовы, их можно будет сопоставить с данными высокого разрешения.
«Вполне возможно, что новые данные позволят нам подтвердить одну из теорий, – размышляет Силк. – Или же мы не найдём ничего, и тогда перед нами встанет ещё большая загадка, которую предстоит решить».
