7 Minutės
Po 15 metų gama spindulių stebėjimų astronomai identifikavo labai blankų, aukštos energijos spindesį Paukščių Tako haloje, kuris gali būti įtikinamiausias tamsiosios materijos anihiliacijos požymis iki šiol. Signalas pasiekia maksimumą energijoje, suderinamoje su populiariais dalelių fizikos modeliais, tačiau tyrėjai pabrėžia, kad reikia papildomų patikrinimų, kad būtų atmestos alternatyvios astrofizinės priežastys.
Siurprizuojantis spindesys vietoje, kur dangus turėtų būti ramus
Fermi gama spindulių kosminis teleskopas jau beveik du dešimtmečius sistemingai stebi dangų. Tokio ilgalaikio stebėjimo dėka, Tokijo universiteto astronomas Tomonori Totani ir jo bendradarbiai susumavę 15 metų Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) duomenų aptiko difuzinę, beveik sferinę gama spindulių emisiją, kuri tęsiasi per galaktikos halą ir aiškiai kyla maždaug ties 20 gigaelektronvoltų (20 GeV) ribos. Tokios ilgalaikės stebėsenos privalumas – geresnis signalo ir triukšmo santykis bei galimybė pastebėti labai silpnus reiškinius, kurių neįmanoma išskirti trumpesnio periodo duomenyse.
Šio aptikimo išskirtinumas slypi energijos spektrinės formos ir erdvinės morfologijos derinyje. Emisija yra silpna, bet plačiai pasklidusi halos forma – ji neakcentuota palei galaktikos plokštumą ir nėra lokalizuota prie žinomų taškinių šaltinių. Toks erdvinis modeliavimo rezultatas — maždaug sferiškas spindesys, centro kryptimi—prie galaktikos centro — atitinka daugelį tamsiosios materijos anihiliacijos arba skilimo prognozių. Todėl galaktikos halas tampa svarbiu regionu tiriant galimas tamsiosios materijos signalų vietas.
Kaip komanda atskyrė signalą nuo triukšmo
Silpno halinio signalo aptikimas yra griežtas statistinis iššūkis. Halo emisija yra ženkliai blankesnė už triukšmingą galaktikos centrą, o gama fotonų skaičius tokioje energijoje yra ribotas, todėl reikia kruopštaus modelių suderinimo ir triukšmo šalinimo. Totani analizė rėmėsi ilgu duomenų laikotarpiu: surinko, išvalė ir sujungė 15 metų Fermi-LAT stebėjimų rinkinį, kad būtų sudaryta didelio signalo-ir-triukšmo santykio difuzinės emisijos žemėlapis. Tokie žemėlapiai leidžia išryškinti net ir subtilius spektro bruožus, kai jie pasikartoja per ilgą laiką ir bendrą erdvę.
Norėdami atskleisti netikėtą spindesį, tyrėjai atėmė gerai žinomas halą veikiantis sudedamąsias: Fermi burbulus (Fermi bubbles), kataloguotas taškines emisijas ir difuzinę emisiją, susijusią su kosminių spindulių sąveikomis su tarpžvaigždinėmis dujomis ir prastu žvaigždžių fonu. Po šių komponentų šalinimo liko reziduinis, halo pobūdžio perteklius, kuris parodė spektro piką netoli 20 GeV — energijų diapazone, suderinamame su tam tikrų silpnai besąveikančių masyvių dalelių (angl. WIMPs) anihiliacija. Analizėje taip pat buvo pritaikyti skirtingi foniniai modeliai ir statistiniai testai, siekiant patikrinti signalo stabilumą prieš modelių netikslumus ir instrumentinius efektus.
Žemėlapis, kuriame paliktas tik tas perteklius, atmetus visą kitą gama spinduliuotę. Pilkasis juostos plotas centre uždengia galaktikos plokštumą.
Kodėl WIMP'ai ir gama spinduliai yra pagrindiniai kandidatų signalai
Tamsioji materija atsiskleidžia gravitaciniu poveikiu: galaktikos sukasi greičiau, nei galima paaiškinti matoma mase, ir galaktikų spiečiai elgiasi taip, lyg ten būtų papildoma nematoma masė. Dalykiniai fizikai siūlo kelis kandidatų tipus, o WIMP'ai (silpnai besąveikančios masyvios dalelės) išlieka vieni iš labiausiai aptarinėjamų. Daugelio WIMP modelių atveju dalelių ir antidalelių susidūrimai (anihiliacija) gali virsti standartinio modelio dalelėmis, įskaitant aukštos energijos gama spindulius, kuriuos gali užfiksuoti tokių instrumentų kaip Fermi-LAT teleskopai.
Jei gama spindulių perteklius atsiranda tinkamoje energijoje ir atitinka reikiamą erdvinį profilį, jis gali būti interpretuojamas kaip galimas WIMP anihiliacijos požymis. Naujojo halinio signalo pikas sutampa su daugeliu WIMP scenarijų prognozių, todėl aptikimas yra moksliniu požiūriu intriguojantis ir skatina papildomus tyrimus. Tačiau vieno sutampančio bruožo buvimas nėra galutinis įrodymas — kitokios astrofizinės procesų grupės (pvz., neaptiktos silpnos šaltinių populiacijos arba difuzinės emisijos pakitimai) kartais gali imituoti panašią spektro formą.
Kodėl halas svarbus tiek pat, kiek galaktikos centras
Daugelis tamsiosios materijos paieškų koncentruojasi į galaktikos centrą, nes teoriniai modeliai numato didelę tamsiosios materijos tankį toje vietoje, o tai turėtų sustiprinti bet kokį anihiliacijos signalą. Tačiau centro zona yra labai sudėtinga ir perpildyta: greitųjų pulsarų (millisecond pulsars), supernovų liekanų ir sudėtingų dujų struktūrų gausa sukuria daug gama spindulių, kurie gali apsunkinti signalo interpretaciją ir sukelti klaidinančias koreliacijas.
Halas, priešingai, yra ramesnė aplinka iš astrofizinės perspektyvos. Nors jo tamsiosios materijos tankis yra mažesnis, o dėl to bet koks anihiliacijos signalas bus silpnesnis, jis taip pat mažiau užterštas kompaktiškais gama spindulių šaltiniais. Toks „švaresnis“ fonas gali padaryti halinio signalo aptikimą įtikinamesnį — jei analizė tinkamai atsižvelgia į visus žinomus difuzinius fonus, instrumentinius efektus ir galimas sistemines paklaidas.
Kiti žingsniai: patikra, kryžminiai patikrinimai ir nepriklausomi paieškos metodai
Mokslas progresuoja per pakartojimą ir nepriklausomą patikrinimą. Totani komanda savo rezultatus paskelbė Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, bet teiginys reikalauja nepriklausomo patvirtinimo. Kitos grupės perdirbs Fermi-LAT duomenų rinkinį, taikys alternatyvius fono modelius ir patikrins, ar perteklius išlieka, kai taikomi skirtingi prielaidos apie difuzinę emisiją, instrumentinį atsaką ar kosminių spindulių modeliavimo sprendimus.
Be peranalizės, astronomai ieškos analogiškų požymių kituose taikiniuose. Nykštukinės sferoidinės galaktikos, besisukančios aplink Paukščių Taką, yra idealios laboratorijos: jos dominuojamos tamsiosios materijos ir turi nedaug astrofizinių procesų, generuojančių gama spindulius. Jei panašus 20 GeV perteklius būtų aptiktas nykštukinėse galaktikose, tai stipriai sustiprintų tamsiosios materijos interpretaciją. Taip pat daugiaspektriniai stebėjimai (multiwavelength) ir „stacking“ analizės, apimančios daug galaktikų, gali parodyti nuoseklias tendencijas arba, priešingai, atskleisti įprastus astrofizinius paaiškinimus. Be to, patikros gali apimti neutrino detektorius ir žemės paviršiaus detektorius, kad būtų ieškoma susijusių signalų ar jų nebuvimo.
Ką patvirtintas aptikimas reikštų fizikai
Jeigu halinis spindesys išties būtų tamsiosios materijos anihiliacijos rezultatas, tai reikštų naujos dalelės atradimą už Standartinio modelio ribų. Toks atradimas reikšmingai pakeistų dalelių fizikos ir kosmologijos supratimą, suteiktų tiesioginius stebėjimo apribojimus dalelės masei, anihiliacijos kryžminiui skyriui (cross-section) ir galimiems sąveikos kanalams. Tai taip pat nukreiptų žemės eksperimentus ir colliderių tyrimus – tiek tiesioginei tamsiosios materijos paieškai, tiek dalelių gamybos bandymams.
Vis dėlto tyrėjai ragina susilaikyti nuo skubotų išvadų. Silpnai išreikštas gama spindulių perteklius, atitinkantis WIMP lūkesčius, dar nėra neabejotinas „rūkstantis šautuvas“. Astrofiziniai reiškiniai — galimai neidentifikuotos silpnų šaltinių populiacijos, netikėti difuzinės emisijos mechanizmai ar instrumentinės sisteminės klaidos — vis dar gali paaiškinti signalą. Šių galimybių išskyrimas reikalauja metų kruopštaus darbo, daugelio nepriklausomų analizės krypčių ir papildomų stebėjimų skirtingais instrumentais.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Ramirez, observacinė astrofizikė, neįsitraukusi į tyrimą, sako: 'Tai rezultatas, kuris pažadina mokslinę bendruomenę. Energija ir formos bruožai yra intriguojantys, o halas – mažai išnaudota laboratorija tamsiosios materijos paieškai. Tačiau neįprasti teiginiai reikalauja neįprastų apsaugos priemonių: nepriklausomų analizės linijų, alternatyvių foninių modelių ir patikrinimų kituose sisteminiuose taikiniuose.' Jos komentaruose atsispindi būtinybė turėti kelias nepriklausomas patikras, kad būtų išvengta modelių priklausomybės ir sisteminių klaidų įtakos.
Kitas specialistas, dalelių fizikas nacionaliniame tyrimų institute, priduria: 'Jei ši ankstesė tikriausiai 20 GeV anihiliacijos žymė būtų patvirtinta, tai dramatiškai susiaurintų tamsiosios materijos modelių parametrų erdvę. Tai būtų vienas iš tų retų momentų, kai astrofiziniai stebėjimai tiesiogiai nurodo naują dalelės fiziką.' Šios perspektyvos pabrėžia, kad mokslas šiuose frontuose derina ir entuziazmą, ir sveiką skeptiškumą.
Šis atradimas — nors ir dar laikomas laikinu ir reikalaujančiu papildomų patikrų — pabrėžia, kaip ilgalaikės misijos, tokios kaip Fermi, vis dar girdo naujais, netikėtais rezultatais. Su daugiau duomenų, tobulėjančiais foniniais modeliais ir koordinuotu pasauliniu pastangų deriniu tarp teleskopų, detektorių ir teorinių grupių, artimiausi metai turėtų išryškinti, ar tas blankus halinis spindesys yra Visatos šnabždesys apie tamsiosios materijos tapatybę.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą