Ciemna materia w Drodze Mlecznej?

Mapa całego nieba w energiach powyżej 1 GeV, uzyskana w oparciu o pięć lat obserwacji satelity NASA - Fermi Gamma-ray Space Telescope. Jaśniejsze barwy odpowiadają silniejszym źródłom promieniowania gamma. Źródło: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration

Ciemna materia jest bez wątpienia jedną z największych zagadek Wszechświata. Astronomowie zebrali jak dotąd przytłaczające dowody na to, że to właśnie z niej składa się w przybliżeniu 84% całej materii Kosmosu. Dodatkowe przyciąganie grawitacyjne, którą wywołuje ciemna materia obecna na peryferiach dużych skupisk materii, stanowi najprostsze wyjaśnienie ruchów obrotowych poszczególnych galaktyk, a także ruchów odległych gromad galaktyk i zakrzywiania światła odległych gwiazd.


Czym jednak ona jest? Jedna z bardziej popularnych obecnie teorii głosi, że składają się na nią pewne nieodkryte jeszcze, masywne cząstki, które bardzo słabo oddziałują z normalną materią barionową. Cząstki te trudno znaleźć, ale teoretycznie powinny one również zachowywać się jak swoje własne antycząstki i mogą wówczas anihilować z materią, wytwarzając jednocześnie kaskady znanych nam cząstek, w tym elektronów i pozytonów. Kolizja taka powinna również generować promieniowanie gamma - najbardziej energetyczne fotony w naturze.

Satelita NASA, Fermi (Fermi Gamma-Ray Space Telescope) przeczesywał całe niebo w poszukiwaniu takich właśnie zdarzeń, czyli sygnatur anihilacji, od roku 2008. Ponieważ jednak teleskop odkrył duże ilości promieni gamma wydostających się na zewnątrz ze środka naszej Galaktyki, astronomowie nie mogli jak dotąd określić, czy powstały one faktycznie w wyniku anihilacji z ciemna materią, czy też na skutek innych, bardziej naturalnych procesów akceleracji cząstek w Galaktyce. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tych zjawisk były do niedawna nieznane nam jeszcze pulsary, których silne wiązki energii wyrzucanej w przestrzeń kosmiczną powinny zawierać pary cząstka-antycząstka, anihilujące wraz z emisją kwantów gamma.

Zespół naukowców pod kierownictwem Tansu Daylan (Harvard) dokładniej przeanalizował nadmiar tzw. sygnału Fermiego, wykluczając ostatecznie pulsary jako przyczynę. Prowadzi to do wniosku, że sygnał ten musi być wynikiem procesów unicestwiania ciemnej materii. A zatem mamy faktycznie do czynienia z nową cząstką o nieznanych dotąd właściwościach. Ten wniosek może teraz rozwiązać jedną z największych zagadek współczesnej fizyki.

Problemem jest tu centrum Drogi Mlecznej – z natury bardzo jasne i gęste. Miliardy gwiazd emitują niewiarygodną ilość światła, przez co centrum trudno jest dokładnie mapować i odsłonić ukryte tam źródła promieniowania gamma, takie jak pulsary. Naukowcy byli jednak w stanie dokładnie przeszukać dane i odjąć od nich znane wcześniej źródła gamma, a ostatecznie uzyskać wyraźną, precyzyjną mapę tego obszaru, rozciągającą się na niemal 5000 lat świetlnych we wszystkich kierunkach od centrum Galaktyki.

O wiele mniej gwiazd znajduje się jednak w dużej odległości od centrum Galaktyki. Jeśli pulsary byłyby rzeczywiście przyczyną silnego promieniowania gamma, bylibyśmy w stanie zobaczyć tam kilka indywidualnych źródeł promieniowania. Ale tak nie jest. Okoliczność ta jest niepodważalnym dowodem na to, że pulsary nie istnieją w tak dużej odległości od centrum Galaktyki, a obserwowany nadmiar promieni gamma musi być wynikiem anihilacji ciemnej materii. Jeśli jest tak faktycznie, egzotyczne cząstki ciemnej materii powinny mieć masę z zakresu 31 - 40 GeV – wiemy to ze znanych energii tego promieniowania.

Niektórzy naukowcy podchodzą jednak do tego odkrycia sceptycznie. Tak ważne wnioski wymagają bardziej oczywistych dowodów – twierdzi Kevork Abazajian z Uniwersytetu w Irvine, w Kalifornii. Populacja pulsarów w centrum Galaktyki może być też na przykład nieco inna niż pulsary zlokalizowane dużo dalej, w ramionach spiralnych. Mogą być one słabsze, przez co nie widzimy ich jako źródła punktowe. Odkrycie wymaga więc dalszych badań i analiz. Wielu naukowców uważa też, że najbardziej przekonujące dowody na istnienie ciemnej materii będą pochodziły z głębokich, podziemnych szybów kopalnianych lub akceleratorów cząstek, gdzie fizycy pracują nad bezpośrednim wykryciem poszczególnych cząsteczek tej tajemniczej substancji. Jak dotąd ich nie znaleziono, jednak cząstki z zakresu mas 31 do 40 GeV były już obserwowane w Wielkim Zderzaczu Hadronów LHC (Large Hadron Collider).

Cały artykuł:
Tansu Daylan et al.
“The Characterization of the Gamma-Ray Signal from the Central Milky Way: A Compelling Case for Annihilating Dark Matter” Fermilab Publication, 2014

Liczba odsłon: 1697