Υπάρχουν πολλά μυστηριώδη γεγονότα στο κέντρο του Γαλαξία μας. Η υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που κατοικεί εκεί είναι η κύρια μεταξύ τους. Αλλά υπάρχει ένα άλλο ενδιαφέρον παζλ εκεί: μια απροσδόκητη σφαιρική περιοχή με έντονες εκπομπές ακτίνων γάμμα.
Μια νέα μελέτη δείχνει ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι πίσω από αυτές τις εκπομπές.
Υπάρχουν πολλές πηγές ακτίνων γάμμα στο σύμπαν και οι περισσότερες από αυτές είναι καλά κατανοητές. Πάλσαρ, μαγνήτες και κβάζαρ παράγουν ακτίνες γάμμα. Μπορούν όμως να αντιπροσωπεύουν τις ακτίνες γάμμα που προέρχονται από το κέντρο του γαλαξία μας;
Οι ακτίνες γάμμα είναι ισχυρές. Είναι μια μορφή διεισδυτικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που παράγεται από τα πιο ενεργητικά φαινόμενα στο Σύμπαν. Έχουν τα μικρότερα μήκη κύματος οποιουδήποτε τύπου ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και την υψηλότερη ενέργεια φωτονίων.
Η περίσσεια των ακτίνων γάμμα στην καρδιά του Γαλαξία είναι γνωστή στους φυσικούς, και την αποκαλούν γαλαξιακό κέντρο περίσσειας (GCE.) Γνωρίζουμε πολλά για τον Γαλαξία μας, και ότι η γνώση έχει περιορίσει τις εξηγήσεις για το GCE μέχρι δύο κύριες δυνατότητες: είτε ένας πληθυσμός πάλσαρ, που περιστρέφονται γρήγορα αστέρια νετρονίων, είτε σκοτεινή ύλη. Οι φυσικοί πιστεύουν ότι εάν είναι σκοτεινή ύλη, υπάρχει σε ένα πυκνό σύννεφο στο κέντρο του γαλαξία, συγκρούεται με τον εαυτό του και εκμηδενίζεται για να παράγει ακτίνες γάμμα.
Το 2015, μια μελέτη έδειξε ότι η πηγή για το GCE ήταν στην πραγματικότητα πάλσαρ και ότι η σκοτεινή ύλη δεν εμπλέκεται. Αυτή η μελέτη προήλθε από μια ομάδα ερευνητών από το Princeton και το MIT, συμπεριλαμβανομένης της αναπληρώτριας καθηγητής φυσικής Tracy Slatyer. Χρησιμοποίησαν παρατηρήσεις του γαλαξιακού κέντρου που λαμβάνονται με το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi μαζί με ένα μοντέλο που περιγράφει όλες τις αλληλεπιδράσεις στον Γαλαξία που θα μπορούσαν να παράγουν ακτίνες γάμμα. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι πάλσαρ ήταν υπεύθυνοι.
Ωστόσο, μια νέα μελέτη, που περιλαμβάνει επίσης τον Slatyer από το MIT, φαίνεται να έχει ανατρέψει αυτά τα αποτελέσματα και έδειξε τη σκοτεινή ύλη ως πηγή όλων αυτών των ακτίνων γάμμα.
Η νέα μελέτη με τίτλο «Αναβίωση της υπόθεσης του σκοτεινού υλικού για το γαλαξιακό κέντρο Gamma-Ray Excess» και δημοσιεύεται στο Physical Review Letters. Οι συγγραφείς είναι η Tracy Slatyer του Κέντρου Θεωρητικής Φυσικής στο MIT και η Rebecca Leane της Σχολής Φυσικών Επιστημών, Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών. Η μελέτη τους λέει ότι υπάρχει πρόβλημα με το προηγούμενο και τα αποτελέσματά του είναι αναξιόπιστα. Μια συνεισφορά σκοτεινής ύλης στο GCE θα μπορούσε να είχε γίνει απαρατήρητη.
Η δυσκολία στη μείωση του GCE είτε σε πάλσαρ είτε σε σκοτεινή ύλη έρχεται στον τρόπο με τον οποίο εκπέμπονται τα φωτόνια και στην τεχνολογική μας ικανότητα να τα ανιχνεύει. Οι ακτίνες γάμμα από σκοτεινή ύλη θα ήταν διάχυτες, ενώ οι ακτίνες γάμματος θα ήταν πιο συγκεντρωμένες πηγές σημείου. Το 2015, όλες οι ακτίνες γάμμα εμφανίστηκαν διάχυτες, αλλά αυτό θα μπορούσε να συμβαίνει επειδή οι σημειακές πηγές φαίνονται διάχυτες στα τηλεσκόπια μας, τα οποία έχουν περιορισμένη χωρική ανάλυση. Το 2015, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι πάλσαρ ήταν υπεύθυνοι.
Ο Γαλαξίας είναι λίγο πολύ επίπεδος, με μια διόγκωση στο κέντρο. Οι ακτίνες γάμμα καταλαμβάνουν μια σφαιρική περιοχή στο κέντρο περίπου 5.000 έτη φωτός σε ακτίνα. Η μέθοδος που ανέπτυξε η Slatyer και οι συνάδελφοί της το 2015 προσπάθησαν να επιλύσουν εάν αυτή η σφαιρική περιοχή ήταν «ομαλή» ή αν ήταν «κοκκώδης». Ο συλλογισμός τους ήταν ότι εάν τα πάλσαρ είναι η πηγή των ακτίνων γάμμα, τότε αυτές οι ακτίνες γάμμα θα πρέπει να κάνουν αυτή τη σφαιρική περιοχή να φαίνεται κοκκώδης. Θα υπήρχαν σκοτεινά κενά μεταξύ των ακτίνων γάμμα όπου δεν υπήρχαν πηγές πάλσαρ.
Αλλά αν οι ακτίνες γάμμα προέρχονταν από σκοτεινή ύλη, τότε η σφαιρική περιοχή θα ήταν ομαλή. «Κάθε οπτική γωνία προς το γαλαξιακό κέντρο έχει πιθανώς σωματίδια σκοτεινής ύλης, οπότε δεν πρέπει να βλέπω κενά ή κρύα σημεία στο σήμα», εξήγησε ο Slatyer.
Ανέπτυξαν ένα μοντέλο που αντιπροσώπευε όλη την ύλη και το αέριο στον Γαλαξία μας, και όλες τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων που θα μπορούσαν να παράγουν ακτίνες γάμμα. Στη συνέχεια, εξέτασαν μοντέλα για τη σφαιρική περιοχή της GCE που ήταν κοκκώδη ή λεία, και μια στατιστική μέθοδο για να τα ξεχωρίσουν. Στη συνέχεια, πήραν αυτό το μοντέλο και τροφοδότησαν πραγματικές παρατηρήσεις διαστημικού τηλεσκοπίου με ακτίνες γάμμα Fermi, για να δουν αν οι παρατηρήσεις ταιριάζουν είτε σε ένα κοκκώδες είτε σε ομαλό προφίλ.
Εάν οι παρατηρήσεις ταιριάζουν σε ένα κοκκώδες προφίλ, τότε τα πάλσαρ θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις ακτίνες γάμμα. Εάν ταιριάζουν σε ένα ομαλό προφίλ, τότε η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να τους εξηγήσει. Το κοκκώδες προφίλ ήταν καταπληκτικό.
«Είδαμε ότι ήταν 100% κοκκώδες, και έτσι είπαμε,« ω, η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να το κάνει αυτό, οπότε πρέπει να είναι κάτι άλλο », θυμάται ο Slatyer. «Η ελπίδα μου ήταν ότι αυτή θα ήταν η πρώτη από πολλές μελέτες της περιοχής του γαλαξιακού κέντρου χρησιμοποιώντας παρόμοιες τεχνικές. Αλλά μέχρι το 2018, οι κύριοι διασταυρούμενοι έλεγχοι της μεθόδου ήταν ακόμα αυτοί που κάναμε το 2015, κάτι που με έκανε να είμαι πολύ νευρικός που ίσως να έχουμε χάσει κάτι. "
Τελικά ο Slatyer και ο Leane αποφάσισαν να δοκιμάσουν το μοντέλο. Ο Slatyer ανησυχούσε ότι μπορεί να μην είναι αρκετά ισχυρός. Αποφάσισαν να δημιουργήσουν έναν «ψεύτικο» χάρτη του ουρανού με ένα σήμα σκοτεινής ύλης και πάλσαρ που δεν συσχετίστηκαν με το GCE. Το τροφοδότησαν στο μοντέλο και παρόλο που τα δεδομένα τους περιείχαν ένα ψεύτικο σήμα σκοτεινής ύλης, το μοντέλο κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ήταν κοκκώδες και ως εκ τούτου κυριαρχούσε σε πάλσαρ. Σύμφωνα με τον Slatyer, αυτό ήταν απόδειξη ότι το μοντέλο τους δεν ήταν αλάνθαστο και ότι υπήρχε ακόμη περιθώριο για τη σκοτεινή ύλη να διαδραματίσει ρόλο στο GCE.
"Εάν είναι πραγματικά σκοτεινή ύλη, αυτή θα ήταν η πρώτη ένδειξη της σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρά με την ορατή ύλη μέσω δυνάμεων διαφορετικών από τη βαρύτητα."
Rebecca Leane, συν-συγγραφέας, Σχολή Φυσικών Επιστημών, Ινστιτούτο Προχωρημένων Μελετών.
Στη συνέχεια, ένας συνάδελφος πρότεινε στους ερευνητές να προσθέσουν ένα ψεύτικο σήμα σκοτεινής ύλης σε συνδυασμό με πραγματικές παρατηρήσεις Fermi για να δοκιμάσουν το μοντέλο τους, αντί με έναν ψεύτικο χάρτη φόντου.
Το έκαναν και το στατιστικό τους μοντέλο απέτυχε στη δοκιμή. Παρά το ομαλό σήμα της σκοτεινής ύλης, το μοντέλο επέστρεψε ένα κοκκώδες αποτέλεσμα που κυριαρχούσε σε pulsar. Αυξάνουν το σήμα της σκοτεινής ύλης στο τετραπλάσιο του πραγματικού GCE και το μοντέλο τους δεν κατάφερε να το εντοπίσει.
«Σε εκείνο το στάδιο, ήμουν πολύ ενθουσιασμένος, γιατί ήξερα ότι οι επιπτώσεις ήταν πολύ μεγάλες - σήμαινε ότι η εξήγηση της σκοτεινής ύλης ήταν πίσω στο τραπέζι», λέει ο Leane.
Εάν αυτά τα νεότερα αποτελέσματα είναι σωστά, τότε είναι πολύ σημαντικό.
«Εάν είναι πραγματικά σκοτεινή ύλη, αυτή θα ήταν η πρώτη ένδειξη της σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρά με την ορατή ύλη μέσω δυνάμεων διαφορετικών από τη βαρύτητα», λέει ο Leane. «Η φύση της σκοτεινής ύλης είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ερωτήματα στη φυσική αυτή τη στιγμή. Ο προσδιορισμός αυτού του σήματος ως σκοτεινής ύλης μπορεί να μας επιτρέψει να αποκαλύψουμε επιτέλους τη θεμελιώδη ταυτότητα της σκοτεινής ύλης. Όποια κι αν είναι η περίσσεια, θα μάθουμε κάτι νέο για το σύμπαν. "
«Είναι συναρπαστικό στο ότι σκεφτήκαμε ότι έχουμε εξαλείψει την πιθανότητα ότι πρόκειται για σκοτεινή ύλη», δήλωσε ο Slatyer σε δελτίο τύπου. «Αλλά τώρα υπάρχει ένα κενό, ένα συστηματικό σφάλμα στον ισχυρισμό που κάναμε. Ανοίγει ξανά την πόρτα για το σήμα να προέρχεται από σκοτεινή ύλη. "
Αυτό το νέο αποτέλεσμα δημοσιεύεται στο τεύχος 11 Δεκεμβρίου του περιοδικού Physical Review Letters.
Περισσότερο:
- Δελτίο Τύπου MIT: Υπάρχει σκοτεινή ύλη στο κέντρο του Γαλαξία;
- Ερευνητικό έγγραφο: Αναβίωση της υπόθεσης του σκοτεινού υλικού για το γαλαξιακό κέντρο Gamma-Ray Excess
- Wikipedia: Αδύνατα αλληλεπιδρώντας μαζικά σωματίδια (WIMPs)
