Найдены признаки аннигиляции темной материи: внешняя часть Млечного Пути ярче, чем предсказывают модели

Мы знаем, что темная материя существует — гравитация галактик не работает без нее. Но мы не знаем, из чего она состоит. Десятилетиями физики ищут WIMP (вимпы) — слабо взаимодействующие массивные частицы. Согласно теории, если эти частицы существуют, они должны иногда сталкиваться друг с другом и аннигилировать, порождая вспышки гамма-излучения.

Эти вспышки искали в центре Млечного Пути, поскольку там плотность материи выше всего. И действительно, телескоп Fermi обнаружил там избыток излучения с пиком энергии 2-3 ГэВ. Но природа их возникновения была спорной, поскольку это могла быть как темная материя, так и просто тысячи слабых пульсаров.

Томонори Тотани из Токийского университета нашел альтернативный подход. Вместо того чтобы всматриваться в сильно зашумленный данными центр Галактики, он проанализировал 15 лет данных телескопа Fermi-LAT, охватывающих гало Млечного Пути — внешнюю, разреженную область галактики.

Неожиданно, в данных обнаружился новый сигнал, который не был похож на те, что фиксировались раньше.

Что именно нашел астроном?

Анализ выявил статистически значимый избыток гамма-излучения в области гало (на широтах выше 10 градусов от галактической плоскости). Этот сигнал имеет четкую сферическую структуру и спектральный пик в районе 20 ГэВ.

На этом числе нужно заострить внимание. Избыток в центре Галактики, о котором говорилось выше, имеет пик при 2-3 ГэВ. Найденный сигнал в гало обладает энергией почти в десять раз выше. Это означает, что если оба сигнала порождены темной материей, то это разные механизмы или разные частицы. Либо один из сигналов (или оба) имеет астрофизическое происхождение, не связанное с темной материей.

Как отделить сигнал от шума?

Небо в гамма-диапазоне светится очень ярко. Чтобы увидеть слабый сигнал от потенциальной темной материи, нужно математически отфильтровать все известные источники. В исследовании использовались шаблоны для:

1. Точечных источников (известные звезды, пульсары, активные ядра галактик).
2. Взаимодействия космических лучей с межзвездным газом.
3. Пузырей Ферми — гигантских структур, испускающих гамма-лучи, которые простираются перпендикулярно диску Галактики.
4. Петли I — крупной структуры радиоизлучения, предположительно остатка сверхновой.

Только после удаления этих слоев данных автор проверил наличие сферического гало. Результат показал, что модель с дополнительным сферическим компонентом описывает данные лучше, чем стандартные модели фона. Остаточная карта (разница между моделью и реальными данными) становится чистой именно при добавлении этого компонента.

Может ли это быть Темная Материя?

Если предположить, что этот сигнал в 20 ГэВ — результат аннигиляции темной материи, то физика дает нам конкретные параметры этой частицы.

Спектр сигнала хорошо описывается аннигиляцией частиц с массой от 500 до 800 ГэВ. Канал распада — либо пары b-кварков (b-кварк и b-антикварк), либо пары W-бозонов. Это тяжелые частицы, значительно массивнее тех, что предполагались для объяснения сигнала в центре Галактики.

Профиль распределения сигнала в пространстве совпадает с профилем Наварро-Френка-Уайта. Это стандартная модель распределения плотности темной материи в гало, полученная в ходе численного моделирования. Тот факт, что сигнал геометрически ложится на этот профиль, является сильным аргументом в пользу гипотезы о темной материи.

Где подвох?

Звучит как открытие. Но любой грамотный анализ требует проверки на противоречия. Здесь есть серьезное препятствие: карликовые галактики.

Карликовые сфероидальные галактики — спутники Млечного Пути. Они содержат много темной материи и очень мало газа или звезд, что делает их идеальными лабораториями для поиска таких сигналов. Если темная материя аннигилирует в нашем гало, она должна делать то же самое и в карликовых галактиках.

Однако там такого сильного сигнала не наблюдается. Расчетное сечение аннигиляции (вероятность взаимодействия частиц), полученное из данных Тотани, составляет порядка 5-8 x 10⁻²⁵ см³/с. Это значение выше, чем верхние пределы, установленные наблюдениями за карликовыми галактиками.

Значит ли это, что гипотеза неверна? Не обязательно.

Как разрешить противоречие?

Автор предлагает рациональное объяснение. Наши оценки пределов для карликовых галактик и самого Млечного Пути зависят от того, как именно распределена плотность темной материи. Это называется «профиль плотности».

Существует неопределенность в том, насколько плотным является гало Млечного Пути. Если реальная плотность темной материи в нашей Галактике ниже стандартных оценок (или профиль более пологий), то для получения наблюдаемого сигнала в 20 ГэВ требуется более высокое сечение аннигиляции. Если же мы скорректируем модели плотности, напряжение между данными гало и данными карликовых галактик ослабевает.

Исследование показывает, что при определенных допущениях о структуре гало интерпретация сигнала как темной материи остается допустимой.

Что это меняет?

До сих пор все внимание было приковано к центру Галактики и энергиям в 2-3 ГэВ. Работа Тотани смещает фокус.

1. Новая цель для телескопов. Если сигнал реален, его должны подтвердить будущие наблюдения. Особая надежда возлагается на Черенковский телескоп CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory), который будет обладать большей чувствительностью в этом диапазоне энергий.
2. Альтернатива пульсарам. Избыток в центре Галактики часто объясняют миллисекундными пульсарами. Но в гало пульсаров мало. Если сигнал 20 ГэВ подтвердится, астрофизическое объяснение, не связанное с темной материей, придумать будет сложнее.
3. Пересмотр фона. Даже если это не темная материя, это означает, что наши модели диффузного галактического излучения неполны. Возможно, мы неправильно понимаем, как распространяются космические лучи во внешних частях Галактики.

Итог

Перед нами, конечно, не окончательное доказательство, но довольно убедительный аргумент в пользу пересмотра стратегии поиска. Данные Fermi-LAT за 15 лет показывают структуру, которую нужно изучить детальнее. Это сферический мощный сигнал с энергией, характерной для тяжелых частиц.

Остается два варианта: либо мы нашли след тяжелой темной материи, который пропустили в карликовых галактиках из-за неопределенностей моделей, либо в гало Млечного Пути происходит неизвестный астрофизический процесс, имитирующий этот след. Оба варианта требуют пристального внимания.

Источник: arXiv