Naukowcy uważają, że tajemnicza poświata w naszej galaktyce może pochodzić z ciemnej materii. Co to oznacza?

W centrum naszej galaktyki znajduje się tajemnicza, rozproszona poświata emitowana przez promienie gamma — silne promieniowanie, które zwykle emitują obiekty o wysokiej energii, takie jak szybko obracające się lub wybuchające gwiazdy.

Teleskop kosmiczny Fermi Gamma-ray NASA wykrył poświatę wkrótce po jej wystrzeleniu w 2008 r. i od tamtej pory światło to zastanawia naukowców, prowokując spekulacje na temat jego przyczyny.

Niektórzy astronomowie uważają, że źródłem blasku są pulsary — wirujące pozostałości po eksplodujących gwiazdach — podczas gdy inni wskazują na zderzające się cząsteczki ciemnej materii, nieuchwytnej i niewidocznej formy materii, której uważa się za pięć razy więcej niż zwykłej materii.

Wiele wcześniejszych badań potwierdzało obie teorie, ale teoria ciemnej materii wydawała się mieć pewien problem: poświata promieniowania gamma zdawała się pasować do kształtu zgrubienia galaktycznego – zatłoczonego, wybrzuszonego obszaru w centrum Drogi Mlecznej, który składa się głównie ze starych gwiazd, w tym pulsarów. Ta obserwacja zdawała się potwierdzać teorię pulsarów, a eksperci wysnuwali teorię, że poświata przybrałaby bardziej kulistą formę, gdyby jej źródłem była ciemna materia. Jednak astronomowie nie byli w stanie zaobserwować wystarczającej liczby pulsarów, które mogłyby emitować promieniowanie gamma, aby dokonać jednoznacznej oceny.

Teraz nowe symulacje wykonane przy użyciu superkomputerów po raz pierwszy pokazują, że zderzenia ciemnej materii mogły również spowodować powstanie poświaty w kształcie wybrzuszenia, co dodaje wiarygodności teorii ciemnej materii.

„Jesteśmy w sytuacji, w której mamy dwie teorie: jedną postulującą istnienie ciemnej materii i twierdzącą, że może ona wyjaśnić obserwowane przez nas dane, i drugą opowiadającą się za starymi gwiazdami” – powiedział Joseph Silk, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa oraz współautor badania szczegółowo opisującego nowe odkrycia, opublikowanego w czwartek w czasopiśmie Physical Review Letters.

„Moim zdaniem istnieje 50-procentowe prawdopodobieństwo, że jest to ciemna materia, w przeciwieństwie do nieco bardziej przyziemnego wyjaśnienia, jakim są stare gwiazdy”.

Dowód na istnienie ciemnej materii byłby przełomowym odkryciem. Szwajcarski astronom Fritz Zwicky po raz pierwszy sformułował teorię istnienia ciemnej materii w latach 30. XX wieku, a amerykańscy astronomowie Vera Rubin i W. Kent Ford potwierdzili ją w latach 70. Zauważyli, że gwiazdy krążące na obrzeżach galaktyk spiralnych poruszają się zbyt szybko, by utrzymać je w całości wyłącznie za pomocą widzialnej materii i grawitacji, i zasugerowali istnienie dużej, niewidocznej ilości materii, która zapobiega ich rozpadowi. Pomimo dziesięcioleci wysiłków, naukowcom nigdy nie udało się zaobserwować tej tajemniczej substancji bezpośrednio, stąd jej nazwa.

Vera Rubin odkryła w latach 70., że większość wszechświata składa się z „ciemnej materii”.

„Nie ma wątpliwości, że natura ciemnej materii jest jednym z najważniejszych problemów fizyki” – powiedział Silk. „To coś, co jest wszędzie – blisko nas, daleko od nas, a my po prostu nie wiemy, czym jest”.

Polowanie na WIMP-y
Istnieje wiele hipotez na temat tego, czym może być ciemna materia, w tym pozostałościami po pierwotnych czarnych dziurach lub nieodkrytym rodzajem cząstek. Większość wysiłków zmierzających do znalezienia ciemnej materii koncentrowała się na tej drugiej koncepcji, co doprowadziło do budowy detektorów, takich jak LZ Dark Matter Experiment w Dakocie Południowej.

Instrument został zaprojektowany do wykrywania jednego z głównych kandydatów na ciemną materię – hipotetycznych cząstek zwanych WIMP-ami (Weakly Interacting Massive Particles – słabo oddziałujące masywne cząstki), które nie pochłaniają światła i mogą przenikać przez zwykłą materię niemal bezproblemowo. Naukowcy uważają, że gdy dwa WIMP-y się spotykają, anihilują się wzajemnie i emitują promieniowanie gamma, co czyniłoby je prawdopodobnym źródłem świecenia.

W swoich badaniach Silk wykorzystał superkomputery do stworzenia mapy przedstawiającej położenie ciemnej materii w Drodze Mlecznej, biorąc pod uwagę pierwotny kształt galaktyki.

„Problem polegał na tym, że wszystkie modele ciemnej materii w naszej galaktyce z ostatnich 20 lat zakładały, że jest ona zasadniczo kulą. Nie ma ona żadnego kształtu, ponieważ był to najprostszy model” – powiedział Silk.

„Naszym wkładem było, po raz pierwszy, przeprowadzenie rzeczywistej symulacji komputerowej rozkładu ciemnej materii. I oto odkryliśmy, że centralna część ciemnej materii, z której emitowane byłyby promienie gamma, jest w rzeczywistości spłaszczona – ma kształt zbliżony do jajowatego”. Ten spłaszczony kształt jest bardzo zbliżony do danych z teleskopu Fermi, wyjaśnił Silk.

Teleskop kosmiczny Fermiego, należący do NASA i wykorzystujący promieniowanie gamma (widoczny na zdjęciu), skanuje całe niebo co trzy godziny, krążąc wokół Ziemi.

Na szczęście potwierdzenie związku między ciemną materią a blaskiem może być bliskie. Nowy instrument, Obserwatorium Teleskopu Czerenkowa (Crerenkov Telescope Array Observatory, CTAO), jest budowany w dwóch lokalizacjach – jednej w Chile, a drugiej w Hiszpanii – i zacznie przesyłać dane już w 2027 roku. CTAO będzie wykrywał promieniowanie gamma z dużo większą rozdzielczością niż Fermi, powiedział Silk, co umożliwi stwierdzenie, czy promieniowanie gamma w centrum Drogi Mlecznej jest efektem zderzeń ciemnej materii.

Dodał, że to odkrycie stanowiłoby przełom w poszukiwaniach tej nieuchwytnej substancji, a także stanowiłoby dowód na to, że przynajmniej część ciemnej materii składa się z WIMP-ów. Jeśli natomiast CTAO nie powiąże blasku z ciemną materią, naukowcy wróciliby do punktu wyjścia, a wszystkie opcje wciąż byłyby nierozstrzygnięte.

Podstawowa tajemnica

Badanie to ponownie otwiera możliwość, że ciemna materia może wyjaśniać poświatę w centrum naszej Galaktyki, choć nie dostarcza nowych, pozytywnych dowodów na jej istnienie – powiedziała Tracy Slatyer, profesor fizyki w Massachusetts Institute of Technology, która nie była zaangażowana w badania. Nie jest jednak przekonana, że istnieje definitywne powiązanie między kształtem rozkładu ciemnej materii a zgrubieniem gwiezdnym. „Uważałam, że hipoteza dotycząca ciemnej materii była nadal uzasadniona, nawet przed tymi badaniami” – dodała.

Ta praca stanowi kolejne wsparcie dla międzynarodowych wysiłków na rzecz dalszych poszukiwań WIMP-ów, jak twierdzi Chamkaur Ghag, profesor fizyki i astronomii na University College London, który również nie brał udziału w badaniach Silka. „Pozostają one niezwykle eleganckim rozwiązaniem długotrwałego problemu ciemnej materii” – dodał Ghag w e-mailu, zaznaczając, że wraz z rozwojem kolejnych detektorów WIMP-ów, zaobserwowanie sygnałów anihilacji tych cząstek w kosmosie oznaczałoby rozwiązanie zagadki ciemnej materii, która trwa już prawie sto lat.

Centralny detektor eksperymentu LZ Dark Matter, znajdujący się w ośrodku badawczym Sanford Underground Research Facility w Dakocie Południowej, widziany tutaj przed umieszczeniem go pod ziemią.

Nico Cappelluti, adiunkt w Katedrze Fizyki Uniwersytetu Miami, powiedział, że teleskop Fermiego był przełomowy dla NASA, a niniejszy artykuł pokazuje, że ciemna materia wciąż jest w wyścigu o wyjaśnienie dziwnego blasku w centrum naszej galaktyki. „Ta tajemnica jest wciąż żywa i spędza sen z powiek naukowcom takim jak ja” – powiedział Cappelluti, który nie brał udziału w badaniu.

Dodał, że odkrycie, czym jest ciemna materia, to naukowe zadanie naszego stulecia, zauważając, że „WIMP-y, te hipotetyczne cząstki, od lat są naszymi głównymi podejrzanymi”. Fakt, że eksperymenty na Ziemi jeszcze ich nie wykryły, jest frustrujący – dodał.

„Ale Fermi daje nam powód, by wierzyć. Ta publikacja przypomina nam, żebyśmy jeszcze nie skreślali WIMP-ów z listy – wciąż mogą one oświetlać centrum naszej galaktyki” – powiedział Cappelluti. „A jeśli to prawda, jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek odkrycia fundamentalnej tajemnicy wszechświata”.