Badanie sugeruje, że nowy sygnał promieniowania gamma może być pierwszym bezpośrednim śladem ciemnej materii

Dziwny sygnał wyłania się z Drogi Mlecznej

Centrum Galaktyki to zazwyczaj ostatnie miejsce, w którym astronomowie szukają subtelnych zjawisk fizycznych. To pełne blasku kłębowisko martwych gwiazd, gorącego gazu i szumiącego promieniowania — region, w którym większość delikatnych sygnałów niknie w chaosie tła. Kiedy więc w nowej analizie danych satelitarnych pojawiła się gładka, przypominająca halo poświata promieni gamma o energii 20 GeV, natychmiast przykuła uwagę badaczy.

Sygnatura ta pochodzi z ponad dekady obserwacji prowadzonych przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermi. Po uwzględnieniu znanych źródeł — pulsarów, pozostałości po supernowych, oddziaływań promieniowania kosmicznego oraz oślepiającego pasma płaszczyzny Galaktyki — jeden element nie chciał zniknąć. I, co kłopotliwe dla wszystkich zainteresowanych, wygląda on uderzająco podobnie do tego, co modele ciemnej materii przewidywały od lat.

Stuletnia zagadka z nowym tropem

Koncepcja ciemnej materii sięga początku XX wieku, kiedy astronomowie zdali sobie sprawę, że galaktyki wirują znacznie szybciej, niż pozwalałaby na to ich widzialna masa. Coś niewidzialnego — i znacznie cięższego — zapewniało brakującą grawitację. Kolejne dekady wzmocniły tę tezę: soczewkowanie grawitacyjne, dynamika gromad, mapy kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła oraz symulacje struktury wielkoskalowej — wszystko to prowadzi do tego samego wniosku.

Jednak każdy z tych dowodów miał charakter grawitacyjny. Nikt nigdy nie zaobserwował, aby ciemna materia oddziaływała w jakikolwiek inny sposób. Dlatego też sygnatura pozagrawitacyjna — szczególnie w zakresie promieniowania gamma — miałaby charakter przełomowy.

Halo 20 GeV zbyt czyste, by je zignorować

Nowy wynik jest dziełem Tomonoriego Totaniego, który przeanalizował dane z teleskopu Fermi obejmujące około stu stopni wokół centrum Drogi Mlecznej. Jego metoda była konserwatywna: odjąć sygnały z pierwszego planu, wymodelować znane procesy i zobaczyć, co pozostanie.

To, co pozostało, to szeroka, symetryczna poświata wysokoenergetycznych fotonów, osiągająca szczyt przy około 20 gigaelektronowoltach — dokładnie tam, gdzie wiele modeli ciemnej materii przewiduje emisję z anihilujących słabo oddziałujących masywnych cząstek, czyli WIMP-ów.

Istotny jest wzór przestrzenny. Poświata ta odzwierciedla oczekiwany kształt halo ciemnej materii naszej Galaktyki: jest gładka, skupiona w centrum i rozciąga się daleko poza regiony zdominowane przez zwykłe źródła astrofizyczne. Pulsary nie tworzą takiej geometrii. Oddziaływania gazu nie sięgają tak daleko. Pozostałości po supernowych nie są tak uporządkowane.

Innymi słowy, jest to wzór, którego nie powinno tam być, chyba że dzieje się coś niezwykłego.

Cząstka, która pasuje do modeli aż nazbyt dobrze

To widmo energetyczne sprawiło, że wynik przestał być jedynie „interesujący”, a stał się „trudny do zignorowania”. Obserwowane fotony ściśle dopasowują się do widm powstających w sytuacjach, gdy hipotetyczne WIMP-y o masach około 500-krotnie większych od masy protonu anihilują w znane cząstki, takie jak kwarki denne czy bozony W.

Nawet szacowane tempo anihilacji — wywnioskowane z jasności halo — mieści się w granicach przewidywań teoretycznych, które od lat wyznaczają kierunek tej dziedzinie nauki.

Ta spójność sama w sobie niczego nie dowodzi, ale zawęża pole poszukiwań. Znane procesy astrofizyczne mają trudności z odtworzeniem tej samej kombinacji kształtu, szczytu energii i intensywności.

Dlaczego wciąż dominuje ostrożność

Badania nad ciemną materią mają za sobą wiele cykli ekscytacji, po których następowało rozczarowanie. Pozornie obiecujące sygnały — z centrum Galaktyki, galaktyk karłowatych czy detektorów cząstek — upadały pod wpływem ponownych analiz, ulepszonego modelowania lub dokładniejszych danych. Ten przypadek może być kolejnym z nich.

Totani podkreśla, że interpretacja ta musi zostać przetestowana niezależnie. Alternatywne modele pierwszego planu mogą wyjaśniać tę poświatę. Należy wykluczyć efekty instrumentalne. Nawet jeśli sygnał przetrwa te filtry, badacze będą chcieli zbadać podobne środowiska, w których zwykłe źródła promieniowania gamma są rzadkością.

To kieruje uwagę na galaktyki karłowate orbitujące wokół Drogi Mlecznej — systemy zdominowane przez ciemną materię przy minimalnej ilości astrofizycznych zakłóceń. Jeśli wyemitują one pasujący „odcisk palca” o energii 20 GeV, argumentacja znacznie zyska na sile.

Przełom czy początek dokładniejszych poszukiwań

Jeśli halo rzeczywiście powstaje w wyniku anihilacji ciemnej materii, oznaczałoby to pierwszą detekcję cząstki spoza Modelu Standardowego fizyki i najważniejsze odkrycie kosmologiczne od dziesięcioleci.

Jeśli okaże się, że jest to niewyjaśnione dotąd zjawisko astrofizyczne, nadal pozwoli to na dopracowanie modeli i wyostrzenie przyszłych przeglądów nieba. Każdy z tych wyników posuwa naukę do przodu.

Na razie halo promieniowania gamma znajduje się w niewygodnej przestrzeni między intrygą a pewnością — na tyle przekonujące, by zmobilizować badaczy, i na tyle niejednoznaczne, by wymagać powściągliwości. Jednak po wieku ścigania niewidzialnej masy nawet wstępna wskazówka wystarczy, by poszukiwania nabrały nowej energii.