Сигнал в центре Галактики может стать первым прямым обнаружением тёмной материи

Фото из открытых источников

Анализ данных, полученных с космического телескопа «Ферми» за 15 лет, выявил наличие диффузного ореола гамма-излучения в ядре Млечного Пути, характеристики которого совпадают с предсказаниями об аннигиляции этого неуловимого компонента космоса.

Группа исследователей из Токийского университета совершила прорыв, который может стать поворотным моментом в понимании Вселенной. Группа исследователей из Токийского университета обнаружила гамма-излучение в направлении центра нашей Галактики, обладающее всеми свойствами, давно приписываемыми тёмной материи. Это открытие, ставшее результатом тщательного анализа полутора десятилетий наблюдений, позволяет предположить, что мы, возможно, столкнулись с первым прямым доказательством существования этой невидимой субстанции, составляющей примерно 85% общей массы космоса и происхождение которой остаётся одной из самых сложных загадок современной физики на протяжении почти столетия.

Исследование, проведенное под руководством профессора Томонори Тотани из Токийского университета, было сосредоточено на данных, собранных космическим гамма-телескопом «Ферми» — орбитальной обсерваторией, запущенной НАСА в 2008 году. Анализ выявил наличие слабого и распространенного свечения гамма-фотонов с характерной энергией около 20 гигаэлектронвольт (ГэВ), простирающегося в виде диффузного гало на область более 30 градусов на небе, с ядром Млечного Пути в качестве его эпицентра.

Центральная значимость этого открытия заключается в том, что пространственная морфология, энергетический спектр и интенсивность этого излучения в значительной степени совпадают с теоретическими предсказаниями аннигиляции слабо взаимодействующих массивных частиц, известных под аббревиатурой WIMP, которые являются одними из наиболее вероятных кандидатов на роль тёмной материи. Если её природа будет подтверждена, человечество впервые получит представление о природе вещества, которое, не испуская и не поглощая свет, управляет динамикой галактик посредством своего гравитационного воздействия.

Поиск тёмной материи – это гонка, полная препятствий, отмеченная отброшенными гипотезами и неоднозначными сигналами. Стратегия обнаружения высокоэнергетических фотонов, возникающих при столкновении и аннигиляции двух частиц тёмной материи – явление, предсказанное несколькими теоретическими моделями, – стала одним из наиболее перспективных направлений. Ожидается, что этот процесс будет происходить чаще в областях с высокой плотностью этих частиц, таких как сердцевина галактик, где тёмная материя, как полагают, образует обширное сферическое гало, окружающее видимый галактический диск.

Однако наблюдение этой слабой вспышки маскируется подавляющим фоновым излучением от других традиционных астрофизических источников. Галактическая плоскость, населённая нейтронными звёздами, остатками сверхновых и другими объектами, испускает интенсивный и сложный туман гамма-излучения, который может легко скрыть слабые следы тёмной материи. Ключом к успеху данного исследования, таким образом, стала крайне тщательная аналитическая стратегия выделения искомого сигнала из всего этого фонового шума.

Группа профессора Тотани сосредоточилась на области радиусом 60 градусов, расположенной в центре ядра Млечного Пути, но исключила из анализа полосу радиусом 20 градусов галактической широты, соответствующую галактическому диску, чтобы избежать влияния известных астрофизических источников. Хотя предыдущие исследования, основанные на данных Fermi первых лет, не дали однозначных результатов, эта работа воспользовалась огромным объёмом информации, накопленной за 15 лет непрерывной работы, что обеспечило беспрецедентную чувствительность для выделения тонких компонентов гамма-излучения.

Результатом этого тщательного исследования стало обнаружение избытка гамма-излучения, распределённого приблизительно в сферической форме вокруг центра галактики, что соответствует ожидаемому распределению для гало тёмной материи. Но наиболее убедительные доказательства получены не только из его геометрии, но и из его энергетического спектра. Обнаруженное излучение демонстрирует ярко выраженный пик около 20 ГэВ, быстро затухающий как при более низких, так и при более высоких энергиях.

Такое поведение трудно объяснить с помощью традиционных астрофизических процессов, которые обычно приводят к более широким и плоским гамма-спектрам. Вместо этого оно поразительно совпадает со спектром, который возник бы, если бы частицы тёмной материи с массой около 500 ГэВ (примерно в пятьсот раз больше массы протона) аннигилировали, образуя в результате цепочки распадов пары b-кварков и антикварков или пары W-бозонов, которые являются частицами, включёнными в Стандартную модель физики элементарных частиц. Интенсивность наблюдаемого сигнала также позволяет оценить скорость аннигиляции, значения которой, как оказалось, согласуются с предсказаниями теоретических моделей для частиц WIMP.

Сочетание этих данных — сфероидальной и протяжённой морфологии, энергетического спектра с острым пиком и скорости когерентной аннигиляции — делает это гало-излучение наиболее вероятным на сегодняшний день кандидатом на первое прямое обнаружение тёмной материи. Если его результаты подтвердятся, их влияние распространится на два фронта знаний: оно разрешит одну из центральных загадок космологии и одновременно станет открытием первой частицы за пределами Стандартной модели, открывая новую эру фундаментальной физики.

Тем не менее, научное сообщество предупреждает о необходимости крайней осторожности. Профессор Тотани и его коллеги подчеркивают, что этот результат, хотя и чрезвычайно многообещающий, должен быть подвергнут независимому анализу другими исследовательскими группами. Следующим важным шагом станет поиск аналогичного сигнала в других средах, богатых тёмной материей, но с низким содержанием загрязняющих астрофизических источников, таких как карликовые галактики-спутники Млечного Пути, гало которых из тёмной материи также должны генерировать избыток гамма-излучения посредством аннигиляции, хотя и гораздо более слабого.

Возможное подтверждение этого открытия не станет концом пути, а лишь порогом новой дисциплины: астрономии тёмной материи. Порогом, который, после почти ста лет поисков, наука, возможно, уже перешагнула.