Det er mange mystiske begivenheter i sentrum av Melkeveien. Det supermassive sorte hullet som bor der er sjef blant dem. Men det er et annet spennende puslespill der: en uventet sfærisk region med intense gammastråleutslipp.
En ny studie antyder at mørk materie kan ligge bak disse utslippene.
Det er mange gammastrålekilder i universet, og de fleste av dem er godt forstått. Pulsarer, magnetarer og kvasarer produserer alle gammastråler. Men kan de redegjøre for gammastrålene som kommer fra sentrum av galaksen?
Gamma-stråler er kraftige. De er en form for gjennomtrengende elektromagnetisk stråling produsert av de mest energiske fenomenene i universet. De har de korteste bølgelengdene til alle typer elektromagnetisk stråling, og den høyeste fotonenergien.
Overskuddet av gammastråler i hjertet av Melkeveien er kjent for fysikere, og de kaller det det galaktiske sentrumsoverskuddet (GCE.) Vi vet mye om Melkeveien, og den kunnskapen har begrenset forklaringene til GCE ned til to ledende muligheter: enten en bestand av pulsarer, som raskt roterer nøytronstjerner, eller mørk materie. Fysikere tror at hvis det er mørk materie, eksisterer det i en tett sky i sentrum av galaksen, kolliderer med seg selv og ødelegger seg for å produsere gammastråler.
I 2015 viste en studie at kilden til GCE faktisk var pulsarer, og mørk materie ikke var involvert. Denne studien kom fra et team av forskere fra Princeton og MIT, inkludert førsteamanuensis i fysikk Tracy Slatyer. De brukte observasjoner av det galaktiske senteret tatt med Fermi Gamma-ray Space Telescope sammen med en modell som beskrev alle samhandlingene i Melkeveien som kunne produsere gammastråler. De konkluderte med at pulsarer var ansvarlige.
Men en ny studie, som også involverte Slatyer fra MIT, ser ut til å ha veltet resultatene og pekt på mørk materie som kilden til alle disse gammastrålene.
Den nye studien har tittelen “Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess”, og den er publisert i Physical Review Letters. Forfatterne er Tracy Slatyer ved Center for Theoretical Physics ved MIT, og Rebecca Leane fra School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study. Studien deres sier at det er et problem med den tidligere, og resultatene er upålitelige. Et mørk materiebidrag til GCE kunne gått upåaktet hen.
Vanskeligheten med å begrense GCE ned til enten pulsarer eller mørk materie kommer ned på måten fotonene sendes ut, og på vår teknologiske evne til å oppdage dem. Gamma-stråler fra mørk materie ville være diffuse, mens de fra pulsarer ville være mer konsentrerte punktkilder. I 2015 virket alle gammastråler diffuse, men det kan være fordi punktkildene virker diffuse til teleskopene våre, som har begrenset romlig oppløsning. I 2015 konkluderte forskerne med at pulsarer var ansvarlige.
Melkeveien er mer eller mindre flat, med en bule i sentrum. Gamma-strålene okkuperer en sfærisk region i sentrum rundt 5000 lysår i radius. Metoden som Slatyer og kollegene hennes utviklet i 2015 forsøkte å løse om denne sfæriske regionen var "glatt" eller om den var "kornete". Deres begrunnelse var at hvis pulsarer er kilden til gammastrålene, så skulle disse gammastrålene få den sfæriske regionen til å se kornete. Det ville være mørke mellomrom mellom gammastrålene der det ikke var noen pulsarkilder.
Men hvis gammastrålene kom fra mørk materie, ville den sfæriske regionen være glatt. "Hver siktlinje mot det galaktiske sentrum har antagelig mørke stoffpartikler, så jeg skulle ikke se noen gap eller kalde flekker i signalet," forklarte Slatyer.
De utviklet en modell som sto for alt stoff og gass i Melkeveien, og alle partikkelinteraksjonene som kunne produsere gammastråler. Da vurderte de modeller for GCEs sfæriske region som var enten kornete eller glatte, og en statistisk metode for å skille dem fra hverandre. Så tok de den modellen og matte faktiske Fermi Gamma-ray Space Telescope-observasjoner inn i den, for å se om observasjonene passer inn i enten en kornet eller en jevn profil.
Hvis observasjonene passer inn i en kornet profil, kan pulsars forklare gammastrålene. Hvis de passer inn i en jevn profil, kan mørk materie forklare dem. Den kornete profilen passet overveldende.
"Vi så at det var 100 prosent kornete, og så sa vi: 'Å, mørk materie kan ikke gjøre det, så det må være noe annet,'" husker Slatyer. ”Mitt håp var at dette bare ville være den første av mange studier av det galaktiske sentrumsområdet ved bruk av lignende teknikker. Men i 2018 var fremdeles de viktigste kryssjektene av metoden de vi hadde gjort i 2015, noe som gjorde meg ganske nervøs for at vi kanskje hadde gått glipp av noe. ”
Etter hvert bestemte Slatyer og Leane seg for å teste modellen. Slatyer var opptatt av at det kanskje ikke var robust nok. De bestemte seg for å lage et "falskt" kart over himmelen inkludert et mørk materie-signal og pulsarer som ikke var forbundet med GCE. De matet den inn i modellen, og selv om dataene deres inneholdt et falskt signal om mørk materie, konkluderte modellen med at den var kornete og derfor pulsardominert. Ifølge Slatyer var det et bevis på at modellen deres ikke var idiotsikker, og at det fremdeles var rom for mørk materie til å spille en rolle i GCE.
"Hvis det er veldig mørk materie, ville dette være det første beviset på at mørk materie samhandler med synlig materiale gjennom andre krefter enn tyngdekraften."
Rebecca Leane, medforfatter, School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study.
Da antydet en kollega at forskerne legger til et falskt mørk materie-signal kombinert med ekte Fermi-observasjoner for å teste modellen deres, i stedet for med et falskt bakgrunnskart.
De gjorde det, og deres statistiske modell mislyktes i testen. Til tross for det glatte signalet om mørk materie, ga modellen et kornet pulsardominert resultat. De slo opp sitt mørke materie-signal til fire ganger størrelsen på den faktiske GCE, og fremdeles klarte ikke modellen å oppdage det.
"" På det stadiet var jeg ganske spent, fordi jeg visste at implikasjonene var veldig store - det betydde at den mørke saken forklaringen var tilbake på bordet, "sier Leane.
Hvis disse nyeste resultatene er riktige, er det en stor sak.
"Hvis det er virkelig mørk materie, ville dette være det første beviset på at mørk materie interagerer med synlig materiale gjennom andre krefter enn tyngdekraften," sier Leane. Naturen til mørk materie er et av de største åpne spørsmålene i fysikk for øyeblikket. Å identifisere dette signalet som mørk materie kan tillate oss å endelig avsløre den grunnleggende identiteten til mørk materie. Uansett hva overskuddet viser seg å være, vil vi lære noe nytt om universet. ”
"Det er spennende i og med at vi trodde vi hadde eliminert muligheten for at dette er mørk materie," sa Slatyer i en pressemelding. "Men nå er det et smutthull, en systematisk feil i påstanden vi fremmet. Den åpner igjen døra for at signalet kommer fra mørk materie. ”
Dette nye resultatet er publisert i tidsskriftet Physical Review Letters '11. desember.
Mer:
- MIT Pressemelding: Er det mørk materie i sentrum av Melkeveien?
- Research Paper: Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess
- Wikipedia: WIMPs (WACPs) med svak interaksjon
