Możliwy pierwszy bezpośredni sygnał ciemnej materii

Czy po stuleciu pośrednich poszlak ciemna materia mogła zostać w końcu dostrzeżona?

Od niemal stu lat astronomowie wnioskowali o istnieniu ciemnej materii na podstawie jej grawitacyjnych śladów: krzywych rotacji galaktyk, soczewkowania grawitacyjnego i struktury wielkoskalowej. W tym tygodniu nowa analiza danych z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Promieniowania Gamma Fermi na nowo rozpaliła debatę, donosząc o nadwyżce wysokoenergetycznego promieniowania gamma w kształcie halo wokół centrum Galaktyki. Autor pracy twierdzi, że jest ona zgodna z anihilacją słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP), będących wiodącym kandydatem na ciemną materię.

Co zrobił Totani — i dlaczego jego praca się wyróżnia

Zespół ponownie przetworzył dane z 15 lat pracy instrumentu Fermi-LAT, obejmujące szeroki obszar nieba poza płaszczyzną galaktyczną, tworząc mapy i dopasowując do nich kombinację znanych komponentów: skatalogowane źródła punktowe, modele oddziaływań promieniowania kosmicznego (GALPROP), duże struktury rozciągłe, takie jak bąble Fermiego i Pętla I (Loop I), oraz tło izotropowe. Po usunięciu tych wkładów naukowcy znaleźli komponent rezydualny o sferycznie symetrycznym profilu radialnym i wyraźnym szczycie widmowym w okolicach 20 GeV. Jak donosi autor, pozostałość ta jest niewielka w porównaniu z jasną emisją płaszczyzny galaktycznej, ale utrzymuje się przy różnych wariantach modelowania.

Liczby, które mają znaczenie

Najlepsza interpretacja w kategoriach anihilacji ciemnej materii preferuje masy cząstek rzędu 0,5–0,8 TeV oraz przekrój czynny na anihilację rzędu 5–8 × 10⁻²⁵ cm³ s⁻¹ dla anihilacji w kwarki spodu. Totani i współautorzy podkreślają, że choć ten przekrój czynny jest większy niż kanoniczny punkt odniesienia dla reliktów termicznych (~3 × 10⁻²⁶ cm³ s⁻¹) i powyżej wielu limitów wynikających z obserwacji galaktyk karłowatych, niepewności w profilu gęstości wewnętrznej Drogi Mlecznej oraz systematyczne wybory w modelowaniu oznaczają, że ewentualności ciemnej materii nie można jeszcze wykluczyć.

Dlaczego większość naukowców zachowa ostrożność

Nadzwyczajne twierdzenia wymagają nadzwyczajnej wnikliwości. Nadwyżki promieniowania gamma w kierunku centrum Galaktyki mają długą historię — zwłaszcza tak zwana nadwyżka GeV, o którą debaty toczą się od ponad dekady — a wielokrotnie proponowano wyjaśnienia astrofizyczne, takie jak nierozdzielone populacje pulsarów lub błędnie wymodelowane oddziaływania promieniowania kosmicznego. Niezależni obserwatorzy wskazują na dwie bezpośrednie obawy: po pierwsze, przekrój czynny na anihilację, który znajduje Totani, jest większy niż rygorystyczne górne limity ustalone przez wspólne analizy karłowatych galaktyk sferoidalnych, które są stosunkowo czystymi celami zdominowanymi przez ciemną materię; po drugie, każda interpretacja dotycząca ciemnej materii powinna idealnie odtwarzać spójny sygnał w innych środowiskach bogatych w tę materię. Te rozbieżności sprawiają, że twierdzenie pozostaje tymczasowe.

Skąd bierze się rozbieżność

Karłowate galaktyki sferoidalne krążące wokół Drogi Mlecznej od dawna są złotym standardem w poszukiwaniach ciemnej materii za pomocą promieniowania gamma, ponieważ charakteryzują się wysokim stosunkiem masy do jasności i zawierają niewiele astrofizycznych źródeł promieniowania gamma. Połączone analizy z wielu obserwatoriów promieniowania gamma wyznaczyły ścisłe limity dla przekrojów czynnych na anihilację w szerokim zakresie mas; sygnał wymagający przekroju czynnego o rząd wielkości wyższego niż te limity w naturalny sposób budzi zdziwienie. Publikacja Totaniego odnosi się do tej rozbieżności, badając niepewności w profilu gęstości Drogi Mlecznej i zauważając, że systematyczne różnice w modelowaniu mogą zmieniać wywnioskowany przekrój czynny, jednak napięcie to jest realne i będzie kluczowe dla prób weryfikacji.

Co mogłoby wzmocnić lub obalić tę interpretację?

• Niezależna reanaliza danych Fermi: zespoły korzystające z innych modeli tła, metod selekcji zdarzeń lub ścieżek analitycznych muszą uzyskać taką samą pozostałość w kształcie halo, aby zbudować zaufanie do wyniku.
• Detekcja w innych obiektach: dostrzeżenie pasującej sygnatury widmowej w galaktykach karłowatych, gromadach galaktyk lub ciemnych podhalo byłoby silnym potwierdzeniem.
• Potwierdzenie przez inne instrumenty: naziemne teleskopy czerenkowskie oraz nadchodząca sieć Cherenkov Telescope Array (CTA) posiadają uzupełniający zakres energii i rozdzielczość kątową; mogłyby one potwierdzić lub wykluczyć tę cechę widmową. Podobne znaczenie będą miały przyszłe prace oparte na danych Fermi oraz badania wielozakresowe.
• Spójność z fizyką cząstek elementarnych: implikowana masa cząstki i tempo anihilacji powinny mieścić się w ograniczeniach laboratoryjnych i kosmologicznych lub motywować wiarygodny nowy model cząstki, który wyjaśnia wymagane tempo bez sprzeczności z innymi danymi.

Dlaczego byłby to przełom — jeśli się potwierdzi

Przekonująca detekcja anihilacji ciemnej materii zrobiłaby coś więcej niż tylko uzupełnienie brakującej strony w kosmologii: pozwoliłaby zidentyfikować nową cząstkę elementarną spoza Modelu Standardowego, otworzyłaby pomost między astrofizyką a fizyką cząstek i skierowałaby eksperymenty w koliderach oraz detektorach bezpośrednich na konkretne masy docelowe i siły oddziaływań. Właśnie dlatego społeczność naukowa będzie wymagać wysokich standardów dowodowych. Stawka jest ogromna, ale równie wielkie są przeszkody.

Podsumowanie

Analiza Totaniego przedstawia intrygującą, starannie sformułowaną argumentację za istnieniem nadwyżki promieniowania gamma 20 GeV w kształcie halo, która jest zgodna z anihilacją WIMP, ale nie rozstrzyga ona jeszcze tej kwestii. Wynik ten jest silnym kandydatem na sygnał, który zainicjuje dalsze reanalizy, celowane poszukiwania w galaktykach karłowatych oraz obserwacje z innych placówek zajmujących się promieniowaniem gamma. W nadchodzących miesiącach — zwłaszcza gdy niezależne zespoły sprawdzą dane, a nowe instrumenty zbadają ten sam reżim energetyczny — dowiemy się, czy jest to długo wyczekiwane pierwsze spojrzenie na ciemną materię, czy kolejna z uporczywych zagadek astrofizycznych Wszechświata.

James Lawson jest reporterem naukowym i technologicznym dla Dark Matter. Posiada stopień MSc w dziedzinie komunikacji naukowej oraz BSc z fizyki uzyskany na University College London.