Linnutee keskmes on palju salapäraseid sündmusi. Seal elav supermassiivne must auk on nende seas peamine. Kuid seal on veel üks intrigeeriv mõistatus: intensiivsete gammakiirte emissioonide ootamatu sfääriline piirkond.
Uus uuring viitab sellele, et nende heitmete taga võiks olla tume aine.
Universumis on palju gammakiirguse allikaid ja enamik neist on hästi mõistetavad. Pulsarid, magnetaarid ja kvaasarid toodavad gammakiiri. Kuid kas nad saavad aru gammakiirtest, mis tulevad meie galaktika keskpunktist?
Gammakiired on võimsad. Need on läbistava elektromagnetilise kiirguse vorm, mille tekitavad universumi kõige energilisemad nähtused. Neil on mis tahes tüüpi elektromagnetilise kiirguse lühimad lainepikkused ja suurim footoni energia.
Füüsikud teavad gammakiirte liigsust Linnutee keskmes ja nad nimetavad seda galaktilise keskuse liigseks (GCE.). Me teame Linnuteest palju ja need teadmised on GCE selgitusi kitsendanud kuni kaks juhtivat võimalust: kas pulsaaride populatsioon, mis kiiresti pöörlevad neutrontähed, või tumeaine. Füüsikud arvavad, et kui tegemist on tumeda ainega, eksisteerib see galaktika keskmes tihedas pilves, põrkudes endaga kokku ja hävitades end gammakiirte tekitamiseks.
2015. aastal näitas uuring, et GCE allikas oli tegelikult pulsars ja tumedat ainet sellega ei kaasnenud. See uuring tuli Princetoni ja MITi teadlaste meeskonnalt, sealhulgas füüsika dotsent Tracy Slatyer. Nad kasutasid Fermi gammakiire kosmoseteleskoobiga tehtud galaktilise keskuse vaatlusi koos mudeliga, mis kirjeldab kõiki Linnutee koostoimeid, mis võivad tekitada gammakiiri. Nad järeldasid, et vastutavad pulsarsid.
Kuid uus uuring, milles osales ka Slatyer MIT-ist, näib olevat need tulemused ümber lükanud ja osutanud tumeainele kõigi nende gammakiirte allikana.
Uus uuring kannab pealkirja “Galaktika keskuse gammakiirguse ülejäägi tumeda aine hüpoteesi taaselustamine” ja see on avaldatud väljaandes Physical Review Letters. Autorid on Tracy Slatyer MIT-i Teoreetilise Füüsika Keskusest ja Rebecca Leane Edendatud Uuringute Instituudi loodusteaduste koolist. Nende uuringu kohaselt on varasemaga probleeme ja selle tulemused pole usaldusväärsed. Tumeda aine panus GCE-sse võis jääda märkamatuks.
GCE kitsendamine pulsaatoriteks või tumeaineks on tingitud footonite kiirgusest ja meie tehnoloogilisest võimalusest neid tuvastada. Tumeda aine gammakiirgus oleks hajus, samas kui pulsaatorite kiired oleksid kontsentreeritumad punktallikad. 2015. aastal näisid kõik gammakiired hajutatuna, kuid see võib olla tingitud sellest, et punktallikad näivad meie teleskoopide jaoks hajusad, kuna nende ruumiline eraldusvõime on piiratud. Aastal 2015 jõudsid teadlased järeldusele, et vastutavad pulsarid.
Linnutee on enam-vähem tasane, selle keskel on mõhk. Gammakiired hõivavad sfäärilise piirkonna keskel umbes 5000 valgusaasta raadiuses. Slatyeri ja tema kolleegide poolt 2015. aastal välja töötatud meetod üritas lahendada, kas see sfääriline piirkond oli sujuv või teraline. Nende põhjendus oli, et kui gammakiirte allikaks on impulssid, peaksid need gammakiired muutma selle sfäärilise piirkonna teraliseks. Gammakiirte vahel, kus puudusid pulsar-allikad, oleks tumedad lüngad.
Kuid kui gammakiired pärineksid tumedast ainest, oleks sfääriline piirkond sile. "Igal galaktilise keskuse poole suunatud vaatejoonel on ilmselt tumeda aine osakesed, nii et ma ei peaks signaalis nägema ühtegi tühikut ega külmakohta," selgitas Slatyer.
Nad töötasid välja mudeli, mis hõlmas kogu Linnutee ainet ja gaasi ning kõiki osakeste vastasmõjusid, mis võivad tekitada gammakiiri. Seejärel kaalusid nad GCE sfäärilise piirkonna mudeleid, mis olid kas teralised või siledad, ja statistilist meetodit nende eristamiseks. Siis võtsid nad selle mudeli ja sööstsid sinna Fermi Gamma-ray kosmoseteleskoobi tegelikud vaatlused, et näha, kas vaatlused sobivad kas teraliseks või siledaks profiiliks.
Kui tähelepanekud mahuvad teralisse profiili, võiksid pulsaatorid selgitada gammakiiri. Kui need sobivad sujuvaks profiiliks, võib tumeaine neid selgitada. Teraline profiil sobis ülihästi.
"Me nägime, et see oli sajaprotsendiliselt teraline, ja nii me ütlesime:" oh, tume aine ei saa seda teha, nii et see peab olema midagi muud, "" meenutab Slatyer. „Ma lootsin, et see on vaid esimene paljudest galaktilise keskuse piirkonna uuringutest, kus kasutatakse sarnaseid tehnikaid. Kuid 2018. aastaks olid meetodi peamised ristkontrollid ikkagi need, mida tegime 2015. aastal, mis pani mind päris närvi ajama, et võisime millestki ilma jääda. ”
Lõpuks otsustasid Slatyer ja Leane mudelit proovida. Slatyer oli mures, et see ei pruugi olla piisavalt vastupidav. Nad otsustasid luua "võlts" taevakaardi, mis sisaldaks tumeaine signaali ja pulsse, mida polnud GCE-ga seostatud. Nad andsid selle mudeli sisse ja kuigi nende andmed sisaldasid võlts tumeaine signaali, järeldas mudel, et see oli teraline ja domineeris seetõttu pulsaris. Slatyeri sõnul oli see tõestus selle kohta, et nende mudel polnud lollikindel ja et GCE-s oli veel ruumi tumeda aine mängimiseks.
"Kui tegemist on tõesti tumeda ainega, oleks see esimene tõend tumeda aine ja nähtava aine interaktsiooni kohta muude jõudude, välja arvatud gravitatsiooni kaudu."
Rebecca Leane, täppisõppe instituudi loodusteaduste kooli kaasautor.
Siis soovitas üks kolleeg teadlastel lisada oma mudeli testimiseks võlts taustakaardi asemel võlts tumeaine signaal koos tõeliste Fermi vaatlustega.
Nad tegid seda ja nende statistiline mudel ebaõnnestus. Vaatamata sujuvale tumeaine signaalile andis mudel tulemuseks teravilja Pulsari domineeritud tulemuse. Nad väntasid oma tumeaine signaali tegeliku GCE suuruseks neli korda suuremaks ja ikkagi ei suutnud nende mudel seda tuvastada.
““ Selleks ajaks olin ma päris elevil, sest teadsin, et tagajärjed on väga suured - see tähendas, et tumeda aine seletus oli taas laual, ”räägib Leane.
Kui need uusimad tulemused on õiged, on see suur asi.
"Kui tegemist on tõesti tumeda ainega, oleks see esimene tõendusmaterjal tumeda aine ja nähtava aine interaktsiooni kohta muude jõudude, välja arvatud gravitatsiooni kaudu," ütleb Leane. „Tumeda aine olemus on praegu füüsika üks suurimaid lahtisi küsimusi. Selle signaali tuvastamine tumeainena võib võimaldada meil lõplikult paljastada tumeaine põhilise identiteedi. Ükskõik, mis ülejääk osutub, õpime kõiksuse kohta midagi uut. ”
"See on põnev, kuna arvasime, et oleme kõrvaldanud võimaluse, et tegemist on tumeda asjaga," ütles Slatyer pressiteates. „Kuid nüüd on meie esitatud väites puudus, süsteemne viga. See avab ukse uuesti, et signaal pärineks pimedusest. "
Uus tulemus avaldatakse ajakirja Physical Review Letters 11. detsembri numbris.
Veel:
- MIT pressiteade: Kas Linnutee keskmes on tume aine?
- Uurimistöö: Galaktika keskuse gammakiirguse liia hüpoteesi taaselustamine
- Vikipeedia: nõrgalt interakteeruvad massiivsed osakesed (WIMP-d)
