Ученые, вероятно, нашли новый вид темной материи — и он скрывается в самом центре Млечного пути. По сравнению с другими кандидатами, это явление не только легче, но и обладает способностью к самоуничтожению.
Чудеса в центре близкой-близкой галактики
Когда две частицы этого потенциального нового вида темной материи встречаются, то они уничтожают друг друга и создают отрицательно заряженный электрон и его положительно заряженный эквивалент, позитрон — этот процесс, известный как ионизация, обеспечивает энергию, необходимую для отрыва электронов от нейтральных атомов в плотном газе в центре Млечного Пути. Собственно, это может быть вполне приличным объяснением для того, почему в сердце нашей галактики (месте, известном под названием Центральная молекулярная зона или CMZ) так много ионизированного газа.
«Мы предполагаем, что темная материя, более легкая, чем протон, может быть ответственна за необычный эффект, наблюдаемый в центре Млечного Пути. В отличие от большинства кандидатов, которые часто изучаются через их гравитационные эффекты, этот вид темной материи может проявиться через ионизирующий газ, по сути, избавляя электроны от атомов в CMZ», — объясняет руководитель группы и научный сотрудник Королевского колледжа Лондона Шям Баладжи.
Темная материя — это гипотетический компонент Вселенной, на который, если не считать темную энергию, приходится 80% от ее общего состава. Несмотря на эту вездесущность, ученые не могут увидеть темную материю, а фиксируют присутствие компонента исключительно по его гравитационному воздействию на видимую материю и на реликтовое излучение.
Сейчас главными кандидатами на темную материю являются аксионы и аксионоподобные частицы, однако Баладжи с коллегами исключили их как виновников в том явлении, которое происходит в центре Млечного пути.
«Большинство аксионных моделей не предусматривают значительной аннигиляции
Аннигиляция — взаимодействие элементарных частиц и античастиц, в результате которого они превращаются в другие формы материи, напр. превращение электрона и позитрона в пару фотонов. в электрон-позитронные пары, как это делает предложенная нами темная материя», — говорит Баладжи. «Она имеет массу в один миллиард электровольт и самоанигилирует на электроны и позитроны, что отличает ее от других. Этот вид непосредственно влияет на межзвездную среду, создавая признаки в виде дополнительной ионизации, чего обычно не ожидают от аксионов».
Темная материя — главный кандидат
В условиях высокой плотности CMZ позитроны не могут далеко путешествовать без предварительного взаимодействия с соседними молекулами водорода и захвата их электронов, поэтому в этом регионе процесс выглядит особенно эффективным.
«Самая большая проблема, которую помогает решить эта модель, — это избыток ионизации в CMZ», — говорит Баладжи. «Космические лучи, обычные виновники ионизации газа, кажется, недостаточно сильны, чтобы объяснить высокий уровень ионизации, который мы наблюдаем».
Космические лучи — это высокоэнергетические элементарные частицы, которые движутся со скоростью, близкой к свету. Но сигналы ионизации от CMZ, по данным команды, указывают на более медленно движущийся источник, который легче многих других кандидатов на темную материю. Кроме того, если бы космические лучи выступали ионизирующим газом в CMZ, должно было бы фиксироваться связанное излучение гамма-лучей, однако исследователи региона этого до сих пор не видели.
Кроме того, модель аннигиляции темной материи может также объяснить характерное излучение света от CMZ, которое возникает в результате столкновения положительно заряженных позитронов и отрицательно заряженных электронов и объединения в состояние под названием позитроний, что затем быстро распадается на рентгеновские лучи, свет с немного меньшей энергией, чем у гамма-лучей.
«Цифры совпадают гораздо лучше, чем мы ожидали. Часто объяснения темной материи сталкиваются с проблемами, поскольку предполагают сигналы, которые уже должны были быть замечены телескопами», — добавляет Баладжи. «Но в этом случае скорость ионизации, создаваемой этой темной материей, идеально соответствует известным ограничениям и не противоречит наблюдениям гамма-лучей и космического микроволнового фона»
Еще одна теория
Очевидно, новый кандидат на темную материю находится в самом начале своей теоретической жизни и еще не имеет даже официального названия. Объяснение с аксионами, для сравнения, существует еще с 1978 года, когда было впервые предложено физиками-теоретиками Фрэнком Вильчеком и Стивеном Вайнбергом.
СпецпроектыТут готують фахівців з цифровізації України. Репортаж з річниці CDTO CampusПереваги іригатора – гаджета для догляду за зубами: чи варто витрачати гроші на цей пристрій?
«Нам нужны более точные измерения ионизации в CMZ; если мы сможем точнее отобразить ионизацию, то сможем увидеть, соответствует ли она ожидаемому распределению темной материи», — заключает Баладжи. «Если мы исключим другие потенциальные источники ионизации, гипотеза темной материи станет более убедительной».
В поиске дальнейших доказательств связи между аннигилирующей темной материей и странными излучениями от CMZ может помочь будущий космический телескоп NASA COSI (Compton Spectrometer and Imager) — его планировали запустить в 2027 году, но в связи с реструктуризацией агентства с приходом новой американской власти, эти планы еще могут измениться.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters (через Space.com).
Хьюстон, у нас «Проблема», и это — гигантская радиогалактика, которую нашел южноафриканский телескоп
