V središču Rimske ceste se dogaja veliko skrivnostnega. Supermasivna črna luknja, ki tam prebiva, je glavna med njimi. Toda tam je še ena zanimiva uganka: nepričakovano sferično območje intenzivnih emisij gama žarkov.
Nova študija kaže, da bi za temi emisijami lahko bila temna snov.
V vesolju je veliko virov žarkov gama in večina jih je dobro razumljena. Pulsarji, magnetarji in kvazarji proizvajajo gama žarke. Toda ali lahko upoštevajo gama žarke, ki prihajajo iz središča naše galaksije?
Gama žarki so močni. So oblika prodornega elektromagnetnega sevanja, ki ga proizvajajo najbolj energijski pojavi v vesolju. Imajo najkrajšo valovno dolžino vseh vrst elektromagnetnega sevanja in najvišjo energijo fotonov.
Gama žarki imajo najkrajšo valovno dolžino in največjo energijo fotonov. Upoštevajte prekrivanje med 'trdimi' rentgenskimi žarki in gama žarki. V astrofiziki so gama žarki tisti z energijo fotonov nad 100 keV. Zasluge slike: javna domena http://son.nasa.gov/tass/content/electrospectrum.htm
Presežek gama žarkov v središču Rimske ceste je fizikom znan in ga imenujejo presežek galaktičnega središča (GCE.) O Rimski cesti vemo veliko in to znanje je zožilo razlage za GCE na dve glavni možnosti: bodisi populacijo pulsarjev, ki so hitro vrteče se nevtronske zvezde, bodisi temno snov. Fiziki menijo, da če je temna snov, obstaja v gostem oblaku v središču galaksije, trči vase in se uniči, da nastane gama žarke.
Leta 2015 je študija pokazala, da so bili vir za GCE v resnici pulsarji, temna snov pa ni bila vključena. Ta študija je prišla iz skupine raziskovalcev s Princetona in MIT, vključno z izredno profesorico fizike Tracy Slatyer. Uporabili so opazovanja galaktičnega središča, posneta z Vesoljski teleskop Fermi z gama žarki skupaj z modelom, ki opisuje vse interakcije v Rimski cesti, ki bi lahko proizvedle gama žarke. Ugotovili so, da so odgovorni pulsarji.
Toda zdi se, da je nova študija, ki vključuje tudi Slatyerja z MIT, te rezultate razveljavila in opozorila na temno snov kot vir vseh teh žarkov gama.
Nova študija ima naslov ' Oživitev hipoteze o temni snovi za presežek gama žarkov galaktičnega centra « in je objavljeno v Physical Review Letters. Avtorji sta Tracy Slatyer iz Centra za teoretično fiziko na MIT in Rebecca Leane s School of Natural Sciences, Inštitut za napredne študije. Njihova študija pravi, da obstaja težava s prejšnjim, njeni rezultati pa so nezanesljivi. Prispevek temne snovi k GCE bi lahko ostal neopažen.
Težava pri zožitvi GCE na pulsarje ali temno snov je odvisna od načina oddajanja fotonov in naše tehnološke sposobnosti, da jih zaznamo. Gama žarki iz temne snovi bi bili razpršeni, medtem ko bi bili žarki iz pulsarjev bolj koncentrirani točkovni viri. Leta 2015 so bili vsi žarki gama videti razpršeni, vendar je to lahko zato, ker se točkovni viri zdijo razpršeni za naše teleskope, ki imajo omejeno prostorsko ločljivost. Leta 2015 so raziskovalci ugotovili, da so odgovorni pulsarji.
Slika iz študije iz leta 2016, ki prikazuje emisije gama žarkov, ki prihajajo iz pulsarjev. Zasluge za sliko: R. Bartels et al, 2016.
Rimska cesta je bolj ali manj ravna, z izboklino v sredini. Žarki gama zasedajo sferično območje v središču s polmerom približno 5000 svetlobnih let. Metoda, ki so jo leta 2015 razvili Slatyer in njeni sodelavci, je poskušala ugotoviti, ali je bila ta sferična regija 'gladka' ali 'zrnata'. Njihovo razmišljanje je bilo, da če so pulsarji vir gama žarkov, bi morali zaradi teh gama žarkov to sferično območje videti zrnato. Med gama žarki bi bile temne vrzeli, kjer ni bilo virov pulsarjev.
Toda če bi žarki gama prihajali iz temne snovi, bi bilo sferično območje gladko. 'Vsaka vidna linija proti središču galaksije ima verjetno delce temne snovi, zato v signalu ne bi smel videti nobenih vrzeli ali hladnih točk,' je pojasnil Slatyer.
Razvili so model, ki je upošteval vso snov in plin v Rimski cesti ter vse interakcije delcev, ki bi lahko proizvedle gama žarke. Nato so preučili modele za sferično regijo GCE, ki so bili zrnati ali gladki, in statistično metodo, ki jih je ločila. Nato so vzeli ta model in vanj vnesli dejanska opazovanja Fermijevega gama-žarkov vesoljskega teleskopa, da bi videli, ali se opazovanja ujemajo z zrnatim ali gladkim profilom.
Pogled vsega neba v svetlobi žarkov gama, narejen s teleskopom gama žarkov Fermi, prikazuje svetlo sevanje gama žarkov v ravnini Rimske ceste (v sredini), svetle pulsarje in supermasivne črne luknje, vključno z aktivnim blazarjem 3C 454.3 spodaj levo . Zasluge: NASA/DOE/Mednarodna ekipa LAT
Če se opazovanja ujemajo z zrnatim profilom, bi lahko pulsarji razložili žarke gama. Če se prilegajo gladkemu profilu, bi jih lahko razložila temna snov. Zrnat profil se je izjemno prilegal.
'Videli smo, da je 100-odstotno zrnato, in zato smo rekli: 'o, temna snov tega ne zmore, zato mora biti nekaj drugega,',' se spominja Slatyer. 'Upal sem, da bo to le prva od številnih študij regije galaktičnega središča z uporabo podobnih tehnik. Toda do leta 2018 so bila glavna navzkrižna preverjanja metode še vedno tista, ki smo jih opravili leta 2015, zaradi česar sem bil precej živčen, da smo morda kaj zamudili.'
Sčasoma sta se Slayer in Leane odločila preizkusiti model. Slatyer je bil zaskrbljen, da morda ni dovolj robusten. Odločili so se ustvariti 'ponarejen' zemljevid neba, ki vključuje signal temne snovi in pulsarje, ki niso bili povezani z GCE. Vnesli so ga v model in čeprav so njihovi podatki vsebovali lažni signal temne snovi, je model ugotovil, da je zrnat in zato prevladuje pulsar. Po besedah Slatyerja je bil to dokaz, da njihov model ni bil zanesljiv in da je še vedno prostor, da temna snov igra vlogo v GCE.
'Če gre res za temno snov, bi bil to prvi dokaz interakcije temne snovi z vidno snovjo s silami, ki niso gravitacija.'
Rebecca Leane, soavtorica, Fakulteta za naravoslovje, Inštitut za napredne študije.
Nato je kolega predlagal, da bi raziskovalci namesto s ponarejenim zemljevidom ozadja dodali lažni signal temne snovi v kombinaciji s pravimi Fermijevimi opazovanji, da bi preizkusili svoj model.
To so storili in njihov statistični model je padel na testu. Kljub gladkemu signalu temne snovi je model vrnil rezultat zrnatega pulzarja. Svoj signal temne snovi so povečali na štirikratno velikost dejanskega GCE, njihov model pa ga še vedno ni zaznal.
»V tej fazi sem bil že precej navdušen, saj sem vedel, da so posledice zelo velike – to je pomenilo, da je bila razlaga temne snovi spet na mizi,« pravi Leane.
Če so ti najnovejši rezultati pravilni, je to velika stvar.
Na levi strani teh podatkov, ki jih je zbral NASA-in vesoljski teleskop gama žarkov Fermi, se pojavi zanimiv signal, ki bi lahko bil posledica 'uničenja temne snovi'. Slika na levi prikazuje galaktično središče v gama žarkih z energijami med 1 in 3,16 GeV. Rdeča označuje največ aktivnosti, oznake pa so za pulsarje. Na sliki na desni so vsi ti viri gama žarkov odstranjeni. Zasluge: T. Linden, univ. iz Chicaga
'Če je res temna snov, bi bil to prvi dokaz interakcije temne snovi z vidno snovjo s silami, ki niso gravitacija,' pravi Leane. »Narava temne snovi je trenutno eno največjih odprtih vprašanj v fiziki. Identifikacija tega signala kot temne snovi nam lahko omogoči, da končno razkrijemo temeljno identiteto temne snovi. Ne glede na to, kakšen presežek se izkaže, se bomo naučili nekaj novega o vesolju.«
'Razburljivo je, ker smo mislili, da smo odpravili možnost, da je to temna snov,' je dejal Slatyer v izjava za javnost . »Toda zdaj je v trditvi, ki smo jo podali, vrzel, sistematična napaka. Ponovno odpre vrata za signal, ki prihaja iz temne snovi.'
Ta novi rezultat je objavljen v številki revije Physical Review Letters 11. decembra.
Več:
- Sporočilo za javnost MIT: Ali je v središču Rimske ceste temna snov?
- Raziskovalna naloga: Oživitev hipoteze o temni snovi za presežek gama žarkov galaktičnega centra
- Wikipedija: Šibko medsebojno delujoči masivni delci (WIMP)
