Почти столетие тёмная материя оставалась невидимой, формируя галактики и отказываясь раскрываться. Теперь новые данные о гамма-излучении, полученные с помощью телескопа НАСА «Ферми», возможно, позволили уловить её неуловимый след.

Астроном из Токийского университета считает, что ему удалось обнаружить именно те высокоэнергетические фотоны, которые, согласно теории, возникают при столкновении и аннигиляции гипотетических частиц WIMP. Возможно, это первый случай, когда человечество напрямую увидит тёмную материю.

Первые намёки на существование тёмной материи

В начале 1930-х годов швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил, что многие галактики движутся гораздо быстрее, чем можно было бы предположить, исходя из их видимой массы. Это натолкнуло его на мысль о том, что невидимая структура — тёмная материя — обеспечивает дополнительное гравитационное притяжение, необходимое для сохранения целостности этих галактик. Почти столетие спустя данные гамма-телескопа НАСА «Ферми» могут дать первое прямое представление об этом скрытом материале, что потенциально позволит учёным впервые «увидеть» тёмную материю.

Почему тёмную материю так сложно обнаружить

Тёмная материя озадачивала исследователей с тех пор, как Цвикки впервые предположил её существование. До сих пор учёные могли изучать её только косвенно, наблюдая за тем, как она влияет на звёзды и галактики, например, создавая достаточную гравитацию, чтобы галактические системы не разлетались в разные стороны. Тёмную материю нельзя увидеть напрямую, потому что её частицы не взаимодействуют с электромагнитным полем, то есть не поглощают, не отражают и не излучают свет.

ВИМПы и поиск ключей к разгадке гамма-излучения

Многие ученые подозревают, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, или ВИМПОВ. Считается, что эти частицы тяжелее протонов и очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Тем не менее, теория предсказывает, что когда два WIMP сталкиваются, они аннигилируют друг с другом и высвобождают энергичные частицы, включая фотоны гамма-излучения.

Из-за этой возможности астрономы годами изучали области, где тёмной материи должно быть больше всего, в том числе центр Млечного Пути. Профессор Томонори Тотани из Токийского университета использовал новые данные космического гамма-телескопа «Ферми» для поиска этих ожидаемых сигналов. Теперь он считает, что обнаружил гамма-излучение, соответствующее предсказанным результатам аннигиляции частиц тёмной материи.

Результаты исследования Тотани были опубликованы в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Гамма-ореол с энергией 20 ГэВ вокруг Млечного Пути

«Мы обнаружили гамма-лучи с фотонной энергией 20 гигаэлектронвольт (или 20 миллиардов электронвольт, чрезвычайно высокая энергия), распространяющиеся в виде ореола к центру галактики Млечный Путь. Компонент гамма-излучения по форме соответствует ореолу тёмной материи», — сказал Тотани.

Дальнейший анализ показывает, что энергетический спектр, или распределение интенсивности гамма-излучения, соответствует уровням, предсказанным для аннигиляции гипотетических вимпов с массой, примерно в 500 раз превышающей массу протона. Предполагаемая скорость аннигиляции вимпов, основанная на яркости гамма-излучения, также соответствует установленным теоретическим ожиданиям.

Многообещающий сигнал, но всё ещё на рассмотрении

Тотани отмечает, что результаты измерений нельзя легко объяснить другими известными астрономическими процессами или распространёнными источниками гамма-излучения. Поэтому он считает эти данные убедительным потенциальным свидетельством излучения тёмной материи, которое исследователи пытаются обнаружить уже несколько десятилетий.

«Если я правильно понимаю, то это первый случай, когда человечество „увидело“ тёмную материю. И оказывается, что тёмная материя — это новая частица, не включённая в современную стандартную модель физики элементарных частиц. Это важное достижение в астрономии и физике», — сказал Тотани.

Дальнейшие шаги для подтверждения открытия

Несмотря на свою уверенность, Тотани подчёркивает, что эти результаты должны быть независимо проверены другими исследователями. Даже если его выводы подтвердятся, учёные всё равно будут искать дополнительные доказательства того, что галоподобное излучение действительно возникает в результате аннигиляции тёмной материи, а не из другого космического источника.

Один из способов подтвердить эту гипотезу — обнаружить аналогичные гамма-сигналы в других местах с высокой концентрацией тёмной материи. Особенно перспективными кандидатами считаются карликовые галактики в гало Млечного Пути. «Этого можно добиться, когда будет накоплено больше данных, и если это произойдёт, то мы получим ещё более убедительные доказательства того, что гамма-излучение исходит от тёмной материи», — сказал Тотани.