6K
Темная материя – таинственное вещество, составляющее большую часть материальной Вселенной. Хотя опыты на Земле и в космосе до сих пор не нашли ее следы, их результаты помогают исключить некоторые теоретические модели. Три исследования, опубликованные ранее в этом году, основываются на шестилетних наблюдениях космического гамма-телескопа NASA «Fermi» и расширяют миссию по охоте за таинственной материей.
«Мы искали обычных подозреваемых в обычных местах и ничего не обнаружили, поэтому мы начали искать новые пути. С новыми результатами «Fermi» мы исключили много кандидатов и показали, что темная материя ответственна лишь за небольшую часть гамма-фона за пределами нашей Галактики», – сказала Джули Макенери из Центра космических полетов им. Годдарда NASA (США).
Темная материя не излучает и не поглощает свет. Она взаимодействует с остальной частью Вселенной через гравитацию, но именно на нее приходится около 80% всей материи. Астрономы видят ее влияние по всему космосу: во вращении галактик, в искажении света, проходящего через их скопления, а также в моделях ранней Вселенной, которые требуют присутствия темной материи для зарождения галактик.
Главными кандидатами на роль темной материи стали различные классы гипотетических частиц. Ученые полагают, что гамма-лучи, как форма наибольшей энергии света, могут помочь в выявлении некоторых типов предполагаемых частиц темной материи. Ранее «Fermi» искал гамма-излучения, связанные с темной материей, в центре нашей Галактики и в маленьких карликовых галактиках, вращающихся вокруг нее. Отсутствие убедительных сигналов позволило отклонить кандидатов из определенного диапазона масс и скоростей взаимодействия, что внесло ограничения в характеристики частиц темной материи.
Самым экзотическим сценарием стало предположение, что темная материя может состоять из гипотетических частиц, называемых аксионами, или других частиц с аналогичными свойствами. Интригующим аспектом аксионно-подобных частиц считается их способность превращаться в гамма-лучи и обратно при взаимодействии с сильными магнитными полями. Эти преобразования оставляли бы характерные пробелы в спектре яркого источника гамма-излучения. Мануэль Мейер из Стокгольмского университета (Швеция) искал этот эффект в гамма-лучах, исходящих от NGC 1275, центральной галактики в скоплении Персея, расположенного примерно в 240 миллионах световых лет от Земли. Выбросы высоких энергий от NGC 1275 связаны с сверхмассивной черной дырой в ее центре. Скопление Персея обладает выраженными магнитными полями, которые позволили бы аксионам темной энергии превращаться в гамма-лучи и обратно. Команда Мейера пыталась найти предсказанные искажения в гамма-излучении NGC 1275. Выводы, опубликованные 20 апреля 2016 года в Physical Review Letters, исключили небольшой диапазон аксионо-подобных частиц, которые могли бы составлять около 4% от темной материи.
Другой широкий класс кандидатов на роль темной материи представляют слабовзаимодействующие массивные частицы вимпы (WIMP). По некоторым предположениям, сталкивающиеся вимпы либо взаимно аннигилируют, либо производят промежуточную, быстрораспадающуюся частицу. Оба сценария приводят к возникновению гамма-лучей, которые могут быть обнаружены с помощью телескопа LAT обсерватории «Fermi».
Реджина Капуто из Университета Калифорнии в Санта-Крус (США) искала признаки вимпов в Малом Магеллановом Облаке, которое располагается в 200 000 световых лет от Земли и является вторым по величине спутником Млечного Пути. Галактика находится сравнительно близко к нам и ее гамма-излучение от обычных источников, в частности, от пульсаров, хорошо изучено. Главное, что астрономы имеют высокоточные измерения ее кривой вращения, демонстрирующей, как скорость вращения изменяется с расстоянием от центра, и подтверждающей присутствие темной материи. В статье, опубликованной в Physical Review D 22 марта 2016 года, Капуто и ее коллеги смоделировали содержание темной материи в Малом Магеллановом Облаке. Они показали, что ее наличия достаточно для произведения обнаруживаемых признаком двух типов вимпов. «LAT определенно улавливает гамма-лучи от Малого Магелланова Облака, но мы можем объяснить их в полном объеме через обычные источники. Признаки аннигиляции темной материи не были подтверждены статистически», – пишет Капуто.
В третьем исследовании, группа во главе с Марко Аелло из Университета Клемсона в Южной Каролине (США) и Маттиа Ди Мауро в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии (США) вели поиск в другом направлении. Вместо изучения конкретных астрономических целей команда использовала более 6,5 лет исследований «Fermi» по анализу фонового свечения гамма-лучей по всему небу.
Природа внегалактического гамма-фона впервые была измерена спутником SAS-2 (NASA) в начале 1970-х годов. «Fermi» показал, что большая часть этого света возникает из неразрешенных источников гамма-излучения, в частности, блазаров, которые приводятся в действие материалом, падающим в гигантские черные дыры. Блазары составляют более половины от общего числа источников гамма-излучения, замеченных «Fermi», и еще большую долю в новом каталоге наиболее энергичных гамма-лучей телескопа LAT. Некоторые модели предсказывают, что внегалактический гамма-фон может исходить от далеких взаимодействий частиц темной материи в результате распада вимпов. В детальном анализе высокоэнергетических гамма-лучей, опубликованном 14 апреля 2016 года в Physical Review Letters, Аелло и его команда показали, что блазары и другие дискретные источники объясняют это излучение почти в полном объеме.
И хотя последние исследования оставили ученых с пустыми руками, поиск темной материи продолжается как в космосе, так и в наземных экспериментах.