7 Minutės
Nuolatinis gama spindulių švytėjimas aplink Paukščių Tako centrą glumina astronomus jau daugiau nei dešimtmetį. Naujos galaktikų masto skaitmeninės simuliacijos rodo, kad ši šviesa galėtų būti ilgai ieškoto tamsiosios materijos sunaikinimo ženklas — arba ji vis tiek gali kilti iš paslėptos, intensyviai besisukančių neutroninių žvaigždžių grupės, kurios vadinamos milisekundiniais pulsarais.
Kodėl Galaktikos centro GeV perteklius yra svarbus
Nuo 2009 m. NASA Fermi gama spindulių kosminio teleskopo surinkti duomenys atskleidė netikėtą aukštos energijos gama spindulių perteklių netoli Galaktikos centro. Šį fenomeną tyrėjai žymi kaip Galaktikos centro GeV perteklių (angl. Galactic Center GeV Excess, GCE). Gama spinduliai yra Visatos energingiausia elektromagnetinė spinduliuotė, tad bet koks procesas, sukeliantis GCE, turi būti arba itin energingas, arba pakankamai gausus, kad apšviestų vidinius keletą tūkstančių šviesmečių Paukščių Tako branduolyje ir aplink jį.
Diskusijose dominavo dvi pagrindinės hipotezės. Pirmoji teigia, kad švytėjimas kyla iš tamsiosios materijos dalelių – galimai silpnai sąveikaujančių masyvių dalelių (WIMP) – kurios viena su kita anihiliuoja ir kaip šalutinis produktas skleidžia gama fotonus. Antroji hipotezė rodo į neišspręstą milisekundinių pulsarų populiaciją: smulkias, itin tankias neutronines žvaigždes, besisukančias šimtus kartų per sekundę ir skleidžiančias spinduliuotės kūgius, kuriuose gali būti gama fotonų.
Priežasties nustatymas turi gilių pasekmių. Jei signalas kyla iš tamsiosios materijos anihiliacijos, tai būtų pirmasis negravitacinis tamsiosios materijos aptikimas ir reikšmingas proveržis dalelių fizikoje bei kosmologijoje. Tuo tarpu, jeigu kaltininkai — pulsarai, rezultatas reikšmingai paveiktų mūsų supratimą apie žvaigždžių evoliuciją, kompaktiškų objektų formavimąsi ir jų populiaciją Galaktikos žiede (bulge). Abi galimybės formuotų skirtingas teorines ir stebėjimo kryptis tolimesniems tyrimams.
Naujos simuliacijos tiria formą ir kilmę
Siekiant spręsti ginčą, Leibnizo Potsdamo astrofizikos institute (Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam) veikiančio kosmologo Moorits Mihkel Muru vadovaujama komanda atliko aukštos raiškos modeliavimus galaktikų panašių į Paukščių Taką evoliucijos. Tyrime rekonstruota, kaip tamsiosios materijos halas ir senasis žvaigždžių žiedas (bulge) galėjo formuotis ir atrodyti šiandien, atsižvelgiant į milijardus metų trukusias susijungimų įtaką bei vidinius dinamikos procesus. Tokios simuliacijos leidžia tyrėjams modeliuoti ne tik bendrą masės pasiskirstymą, bet ir įvertinti morfologinius ypatumus, spektrines savybes bei intensyvumo laipsnį, kuris būtų lyginamas su Fermi matavimais.
Ankstesni stebėjimai pateikė morfologinį užuominą: GCE erdvinis pasiskirstymas atrodė „dėžutės“ formos — X formos žiedo signalas, panašus į senųjų žvaigždžių pasiskirstymą Paukščių Take. Jei perteklius tiksliai sutaptų su tokiu X formos išdėstymu, akivaizdžiai aukos būtų milisekundiniai pulsarai, susitelkę žiede. Priešingai, tamsiosios materijos halas dažniausiai buvo laikomas maždaug sferišku elementu, kuris generuotų tolygesnį, apvalesnį gama spindulių profilį.
Tačiau naujos simuliacijos pakeitė šią paprastą prielaidą. Tyrėjai nustatė, kad Paukščių Tako tamsiosios materijos halas greičiausiai nėra idealiai sferinis. Pasikartojantys susijungimai su mažomis palydovinėmis galaktikomis, netolygi galaktikos rotacija ir dinaminiai procesai per kosminį laiką gali suplokštinti ir iškraipyti halą. Projekcijoje iš Saulės sistemos perspektyvos — maždaug 8 kiloparsekso (apie 26 000 šviesmečių) atstumo nuo Galaktikos centro — šiek tiek suplokštėjusi ir asimetriška tamsiosios materijos struktūra gali danguje pasirodyti kaip „dėžutės“ pavidalo plokštuma, panaši į žvaigždžių bulge formą.
Trumpai tariant, halų geometrija vien tik ne visada leidžia galutinai atskirti tamsiosios materijos anihiliaciją nuo masyvios milisekundinių pulsarų populiacijos. Tyrėjų vertinimu, abi kilmės lieka tikėtinos remiantis morfologija, spektriniu energijų pasiskirstymu ir intensyvumu — tačiau, atsižvelgdami į šiuo metu aptiktų pulsarų trūkumą, jie šiek tiek lenkia argumentus tamsiosios materijos naudai. Šis jų argumentas grindžiamas tiek stebimų gama spindulių intensyvumu, tiek statistine priežastimi, kodėl dalis pulsarų galėjo likti neišskirti Fermi duomenyse.
Tekstūra, taškiniai šaltiniai ir mišrios kilmės scenarijai
Ne visi surinkti požymiai veda ta pačia linkme. Kai kurie Fermi duomenų analizės metodai aptiko mažo mastelio „taškelius“ GCE viduje, kurie primena atskirus taškinius šaltinius ir yra suderinami su milisekundinių pulsarų signalu — t. y. daugybe atskirų, silpnų gama spindulių emiterių. Tuo tarpu tamsiosios materijos anihiliacija turėtų sukurti lygesnį, difuzinį švytėjimą be akivaizdžių individulių taškinių variacijų. Naujoji publikacija daugiausia dėmesio skiria didelio masto morfologiniam profiliui ir tiesiogiai neišsprendžia mažo mastelio tekstūros klausimo, kuriuo kiti darbai vis dar intensyviai besiginčija.
Tokia netikrumo būsena atveria kelių komponentų galimybę: gali egzistuoti lygesnė dedamoji, susijusi su tamsiosios materijos anihiliacija, kartu su reikšmingomis įtakomis iš neišspręstų pulsarų ar kitų kompaktiškų objektų. Atskirti šias sudedamąsias dalis reikalauja geresnės kampinės raiškos ir gilesnio jautrumo silpniems taškiniams šaltiniams, taip pat daugiabangio (multiwavelength) stebėjimų, kurie leistų identifikuoti pulsarus radijo dažniuose arba rentgeno spinduliuose. Radijo pulsarų surašymai, rentgeno observatorijų detekcijos bei tikslūs gama spektro matavimai yra esminiai komponentai norint patikrinti, ar GCE sudaro daug mažų šaltinių, ar vienas didelis difuzinis švytėjimas.
Be to, reikėtų atsižvelgti į nevienodą foninę emisiją Galaktikos centre: kosminės spinduliuotės fono modeliavimas, duomenų filtravimas ir statistiniai šaltinių atpažinimo algoritmai gali turėti įtakos tam, kaip interpretuojami Fermi duomenys. Todėl daugelis tyrėjų ragina susieti simuliacijų rezultatus su pažangiausiais stebėjimų metodais ir įtraukti įvairius garantinius testus, siekiant sumažinti klaidingų teigiamų aptikimų riziką ir tiksliai įvertinti neapibrėžtumus.
Nauji teleskopai padės atskirti signalus
Ateities observatorijos turėtų aiškiau atskleisti situacijos pobūdį. Planaviamas Cherenkov teleskopų masyvas (CTA) abiejuose pusrutuliuose bei Pietų pusrutulio plataus lauko gama spindulių observatorija (SWGO) sugebės tirti aukštesnės energijos gama spindulius su žymiai geresniu jautrumu ir kampine raiška nei dabartiniai įrankiai. Šios įstaigos galės patikrinti, ar perteklius pasižymi sklandžiu erdviniu profiliu, ar išsisklaido į daugybę silpnų taškinių šaltinių, taip pat ištirti spektrines ypatybes, kurios galėtų atitikti įvairius WIMP anihiliacijos kanalus (pvz., kvarkų poras, leptonines grandines arba W bosonus), kurių kiekvienas palieka skirtingą energijos pasiskirstymą gama spektre.
Jei CTA arba SWGO užfiksuos charakteringą energijos spektrą ir erdvinį sklandumą, kokių tikimasi WIMP anihiliacijos atveju, tai stipriai paremtų tamsiosios materijos interpretaciją. Priešingai, aptikus gausybę silpnų gama spindulių taškinių šaltinių, sutelktų žiede, arba identifikavus daug milisekundinių pulsarų per radijo ir rentgeno stebėjimus, labiau tikėtina, kad perteklius kyla iš žvaigždžių populiacijos. Be to, ateities instrumentai padidins matomą dinamiką: platesnis energinių diapazonas ir geresnis laiko sprendimas gali padėti atskirti trumpalaikes variacijas ir spektrinius „pirštų atspaudus“, būdingus tam tikroms procesų grandinėms.
Eksperto įžvalgos
„Šis tyrimas pabrėžia, kokia sudėtinga gali būti galaktikos archeologija,“ sako dr. Elena Vargas, astrofizikė, nagrinėjanti gama spindulių šaltinius. „Tamsiosios materijos halai yra galaktikos visų susijungimų istorijos produktas, o ta istorija gali ištrinti paprastą sferinį vaizdinį. Dabar svarbu derinti morfologiją su spektriniais ženklais ir vykdyti tiesiogines pulsarų paieškas radijo bei rentgeno bangose.“
„Įsivaizduokite, kad žiūrite į tolimą miestą naktį: iš tolo matote švytėjimą, ir tik su geresnėmis optinėmis priemonėmis atskiriate, ar tai difuzinis apšvietimas, ar dešimtys gatvių žibintų. Kitas dešimtmetis gama spindulių observatorijų suteiks mums tokius 'objektyvus',” priduria ji. Ši analogija aiškiai perteikia, kodėl svarbu susieti skirtingų bangų ilgių stebėjimus ir išplėsti tiek instrumentinį aprėptį, tiek duomenų analizės metodikas.
Diskusija dėl Galaktikos centro GeV perteklius demonstruoja kosmologijos, aukštųjų energijų astrofizikos ir žvaigždžių populiacijų tyrimų sąveiką. Nesvarbu, ar šis švytėjimas pasirodys esąs tamsiosios materijos savianihiliacija, paslėpta neutroninių žvaigždžių sankaupa ar abiejų derinys, rezultatai patikslins Paukščių Tako modelius, padės įvertinti kompaktiškų objektų populiacijas ir galbūt atvers naujas galimybes tyrinėti fundamentaliąją fiziką. Tolimesni tyrimai ir sinchronizuotos daugiabangės kampanijos bus lemiami siekiant nuosekliai ir patikimai išaiškinti GCE kilmę, o vėlesni atradimai gali turėti ilgalaikį poveikį tieke astrofizikai, tiek dalelių fizikai.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą