Linnunradan keskellä on paljon salaperäisiä tapahtumia. Siellä asuva supermassiivinen musta aukko on päällikkö heidän joukossaan. Mutta siellä on toinen kiehtova palapeli: odottamaton pallomainen alue voimakkaista gammasäteilypäästöistä.
Uusi tutkimus ehdottaa, että tumma aine voisi olla näiden päästöjen takana.
Universumissa on paljon gammasäteilylähteitä, ja suurin osa niistä ymmärretään hyvin. Pulsaarit, magnetaarit ja kvasaarit tuottavat gammasäteitä. Mutta voivatko ne ottaa huomioon gammasäteet, jotka tulevat galaksiamme keskustasta?
Gammasäteet ovat voimakkaita. Ne ovat eräänlainen läpäisevän sähkömagneettisen säteilyn säteily, jonka tuottavat maailmankaikkeuden energisimmat ilmiöt. Niillä on lyhyimmät aallonpituudet minkä tahansa tyyppisestä sähkömagneettisesta säteilystä ja suurin fotonienergia.
Fyysikot tuntevat ylimäärän gammasäteitä Linnunradan ytimessä, ja he kutsuvat sitä galaktisen keskuksen ylimääräiseksi (GCE.). Tiedämme paljon Linnunradasta, ja tämä tieto on kaventanut GCE: n selityksiä alaspäin kaksi päämahdollisuutta: joko pulsaaripopulaatio, joka pyörii nopeasti pyörivillä neutronitähteillä, tai tumma aine. Fyysikot ajattelevat, että jos kyseessä on pimeä aine, se esiintyy tiheässä pilvessä galaksin keskellä, törmääen itsensä kanssa ja tuhoavan itsensä tuottamaan gammasäteitä.
Vuonna 2015 tutkimus osoitti, että GCE: n lähde oli tosiasiassa pulsaareja, eikä tumma aine ollut mukana. Tämä tutkimus tuli Princetonin ja MIT: n tutkijoiden ryhmältä, mukaan lukien fysiikan apulaisprofessori Tracy Slatyer. He käyttivät galaktisen keskuksen havaintoja Fermi-gammasäteilyn avulla ja yhdessä mallin kanssa, joka kuvaa kaikkia Linnunradan vuorovaikutuksia, jotka voivat tuottaa gammasäteitä. He totesivat, että pulsarit olivat vastuussa.
Mutta uusi tutkimus, johon osallistui myös Slatyer MIT: stä, näyttää kumonnut nämä tulokset ja osoittanut pimeälle aineelle kaikkien näiden gammasäteiden lähteenä.
Uusi tutkimus on nimeltään ”Pimeiden aineiden hypoteesin herättäminen galaktisen keskuksen gammasäteylijäämälle”, ja se julkaistaan Physical Review Letters -lehdessä. Kirjailijat ovat Tracy Slatyer MIT: n teoreettisen fysiikan keskuksesta ja Rebecca Leane luonnontieteellisestä korkeakoulusta, syventävän tutkimuksen instituutista. Heidän tutkimuksensa mukaan aikaisemmassa on ongelma, ja sen tulokset ovat epäluotettavia. Pimeän aineen osallistuminen GCE: hen olisi voinut jäädä huomaamatta.
Vaikeus kaventaa GCE: tä joko pulsaareiksi tai pimeäksi aineeksi laskee fotonien säteilytavan ja tekniikan kykymme havaita ne. Pimeästä aineesta tulevat gammasäteet olisivat hajanaisia, kun taas pulsareista tulevat säteilylähteet olisivat keskittyneempiä pisteitä. Vuonna 2015 kaikki gammasäteet näyttivät hajanaisilta, mutta se voi johtua siitä, että pistelähteet vaikuttavat hajanaisilta kaukoputkeillemme, joiden maantieteellinen resoluutio on rajoitettu. Vuonna 2015 tutkijat totesivat pulsareiden olevan vastuussa.
Linnunrata on enemmän tai vähemmän tasainen, pullistuma keskellä. Gammasäteet vievät pallomaisen alueen keskustassa noin 5000 valovuoden säteellä. Slatyerin ja hänen kollegoidensa vuonna 2015 kehittämä menetelmä yritti selvittää, oliko tämä pallomainen alue ”sileä” vai oliko se ”rakeinen”. Heidän perusteluksensa oli, että jos pulssarit ovat gammasäteiden lähde, silloin näiden gammasäteiden pitäisi saada pallomainen alue näyttämään rakeiselta. Gammasäteiden välillä olisi tummia aukkoja, joissa ei ollut pulsar-lähteitä.
Mutta jos gammasäteet tulevat pimeästä aineesta, pallomainen alue olisi sileä. "Jokaisella galaktista keskustaa kohti olevalla näkölinjalla on todennäköisesti tumman aineen hiukkasia, joten minun ei pitäisi nähdä signaalissa aukkoja tai kylmiä pisteitä", Slatyer selitti.
He kehittivät mallin, joka kattoi kaiken Linnunradan aineen ja kaasun, ja kaikki hiukkasten vuorovaikutukset, jotka voisivat tuottaa gammasäteitä. Sitten he harkitsivat GCE: n pallomaisen alueen malleja, jotka olivat joko rakeisia tai sileitä, ja tilastollisen menetelmän erottaa ne toisistaan. Sitten he ottivat kyseisen mallin ja syötivät siihen todelliset Fermi Gamma-ray-avaruusteleskoopin havainnot nähdäkseen, sopivatko havainnot joko rakeiseen vai sileään profiiliin.
Jos havainnot sopivat rakeiseen profiiliin, pulsaattorit voisivat selittää gammasäteet. Jos ne mahtuvat sileään profiiliin, tumma aine voisi selittää ne. Rakeinen profiili oli ylivoimaisesti sopiva.
"Näimme sen olevan sataprosenttisesti rakeista, joten sanoimme:" Voi, pimeä aine ei voi tehdä sitä, joten sen on oltava jotain muuta "," Slatyer muistelee. ”Toivon, että tämä oli vain ensimmäinen monista galaktisen keskialueen tutkimuksista, joissa käytettiin samanlaisia tekniikoita. Mutta vuoteen 2018 mennessä menetelmän tärkeimmät ristiintarkastukset olivat edelleen niitä, jotka teimme vuonna 2015, mikä sai minut melko hermostuneeksi siitä, että olemme voineet unohtaa jotain. ”
Lopulta Slatyer ja Leane päättivät testata mallia. Slatyer oli huolissaan siitä, että se ei ehkä ole riittävän vankka. He päättivät luoda "väärennetyn" taivaan kartan, joka sisältää tumman aineen signaalin ja pulsaattorit, joita ei liitetty GCE: hen. He syöttivät sen malliin ja vaikka heidän tiedoissaan oli väärennetty tumman aineen signaali, malli päätteli, että se oli rakeinen ja siksi pulsar-hallitsema. Slatyerin mukaan se oli todiste siitä, että heidän malli ei ollut riittämätön ja että tummalla aineella oli vielä tilaa rooliin GCE: ssä.
"Jos se on todella pimeää ainetta, tämä olisi ensimmäinen todiste siitä, että pimeä aine vuorovaikutuksessa näkyvän aineen kanssa muiden voimien kuin painovoiman kautta."
Rebecca Leane, yhteistyökumppani, Luonnontieteiden yksikkö, Syventävän tutkimuksen instituutti.
Sitten kollega ehdotti tutkijoille lisäävän väärennetty tumman aineen signaali yhdistettynä todellisiin Fermin havaintoihin mallin testaamiseksi väärennetyn taustakartan sijasta.
He tekivät niin, ja heidän tilastollinen malli epäonnistui testissä. Huolimatta sileästä pimeän aineen signaalista malli palautti rakeisen pulsar-hallitsevan tuloksen. He kamppailivat tumman aineen signaalinsa neljä kertaa todellisen GCE: n kokoiseksi ja silti heidän mallinsa ei onnistunut tunnistamaan sitä.
”” Siihen mennessä olin innostunut, koska tiesin, että vaikutukset olivat erittäin suuret - se tarkoitti, että pimeän aineen selitys oli taas pöydällä ”, Leane sanoo.
Jos nämä uusimmat tulokset ovat oikeita, niin se on iso juttu.
"Jos kyseessä on todella pimeä aine, tämä olisi ensimmäinen todiste siitä, että pimeä aine vuorovaikutuksessa näkyvän aineen kanssa muiden voimien kuin painovoiman kautta", Leane sanoo. ”Pimeän aineen luonne on tällä hetkellä yksi suurimmista avoimista kysymyksistä fysiikassa. Tämän signaalin tunnistaminen tummaksi aineeksi voi antaa meille lopulta paljastaa tumman aineen perustavanlaatuisen identiteetin. Riippumatta siitä, mikä ylimäärä osoittautuu, opimme jotain uutta maailmankaikkeudesta. ”
"Se on jännittävä siinä mielessä, että olemme poistaneet mahdollisuuden, että tämä on pimeää asiaa", Slatyer sanoi lehdistötiedotteessa. "Mutta nyt tekemässämme vaatimuksessa on porsaanreikä, järjestelmällinen virhe. Se avaa oven uudelleen signaalin tulemiseksi pimeästä aineesta. "
Tämä uusi tulos julkaistaan Physical Review Letters -lehden 11. joulukuuta julkaisussa.
Lisää:
- MIT: n lehdistötiedote: Onko Linnunradan keskellä tummaa ainetta?
- Tutkimuspaperi: Pimeäainehypoteesin herättäminen galaktisen keskuksen gammasäteylijäämälle
- Wikipedia: Heikosti vuorovaikutuksessa olevat massiiviset partikkelit (WIMP)
