В данных телескопа Fermi нашли след темной материи, но он противоречит существующим законам физики

В астрофизике высоких энергий подавляющее большинство процессов формирует непрерывные распределения фотонов по шкале энергий. Когда вещество падает в гравитационное поле черной дыры, разрушается в термоядерном распаде сверхновой звезды или разгоняется в магнитных полях релятивистских струй плазмы, рождаются фотоны широкого диапазона частот. На графиках зависимости числа зарегистрированных квантов от их энергии такие процессы отображаются плавными, монотонно спадающими кривыми.

Монохроматическая спектральная линия — резкий избыток фотонов строго определенной энергии — представляет собой редкое исключение. В современной физике элементарных частиц существует крайне ограниченное число механизмов, способных сформировать такой узкий спектральный пик. Основной из них — прямая аннигиляция или спонтанный распад частиц темной материи.

Группа исследователей из обсерватории Пурпурной горы Китайской академии наук совместно с коллегами из ведущих университетов Китая опубликовала результаты комплексного анализа архивных данных космического гамма-телескопа Fermi-LAT за 15,5 лет непрерывной работы. В суммарном спектре излучения от тринадцати массивных скоплений галактик ученые зафиксировали выраженную монохроматическую линию на энергии 43,2 гигаэлектронвольта.

Статистическая надежность обнаруженного сигнала высока, однако его пространственное распределение вступает в прямое противоречие с фундаментальными положениями стандартных космологических моделей.

Физика процесса: почему исследователи ищут узкие линии

Темная материя составляет около 85 процентов массы всего вещества во Вселенной, однако до настоящего момента она проявляет себя исключительно через гравитационное воздействие на обычную материю. Ведущая гипотеза в физике элементарных частиц предполагает, что темная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных частиц — вимпов.

Теоретические расчеты показывают, что частицы темной материи могут сталкиваться между собой и аннигилировать — полностью превращаться в частицы обычной материи, включая гамма-кванты. В таких реакциях закон сохранения энергии и импульса действует так:

• Если две частицы темной материи аннигилируют напрямую в пару фотонов, каждый образовавшийся гамма-квант уносит энергию, точно равную массе покоя исходной частицы темной материи.
• Если реакция идет с образованием фотона и другой массивной частицы (например, нейтрального Z-бозона или бозона Хиггса), энергия гамма-кванта также оказывается строго фиксированной. Она однозначно определяется разницей масс участников взаимодействия.

В обоих случаях на графике энергетического спектра возникает узкий вертикальный пик. Обнаружение такого пика позволяет одновременно подтвердить существование темной материи, доказать факт ее взаимодействия и напрямую вычислить массу ее фундаментальных частиц.

Большинство стандартных каналов аннигиляции темной материи производит кварки или тяжелые лептоны. Распадаясь, они образуют вторичные фотоны, размазанные по широкому непрерывному спектру. Этот вторичный поток трудно отличить от фонового шума обычных астрофизических источников. Именно поэтому узкая монохроматическая линия считается единственным бесспорным критерием прямой детекции темной материи.

Скопления галактик как естественные мишени

Большинство программ поиска темной материи традиционно фокусируется на центре нашей Галактики либо на карликовых спутниках Млечного Пути. Однако скопления галактик представляют собой самые массивные гравитационно связанные структуры в наблюдаемой Вселенной. Полная масса отдельного скопления может достигать нескольких квадриллионов масс Солнца, и до 90 процентов этой массы приходится на темную материю.

Интенсивность гамма-излучения от гипотетической аннигиляции зависит от двух параметров: микрофизических свойств самих частиц (их массы и вероятности столкновения) и астрофизического фактора плотности, который в научной литературе называют J-фактором.

J-фактор представляет собой суммарное количество темной материи, находящееся внутри конуса обзора телескопа вдоль всей линии наблюдения от Земли до объекта. Поскольку для акта аннигиляции частицы должны столкнуться друг с другом, частота реакций зависит от квадрата локальной плотности вещества. В результате центральные области скоплений, где концентрация темной материи максимальна, должны излучать непропорционально интенсивнее, чем периферийные зоны. Дополнительный вклад вносит сложная внутренняя структура скоплений: они состоят из множества мелких сгустков темной материи (субгало), которые увеличивают общую скорость столкновений.

Авторы исследования составили выборку из 13 наиболее массивных и близких к Земле скоплений галактик, расположенных на красных смещениях до 0,028 (что соответствует расстояниям до 380 миллионов световых лет). В этот список вошли:

• Скопление Девы (Virgo),
• Скопление Печи (Fornax),
• Скопление Змееносца (Ophiuchus),
• Скопление Волос Вероники (Coma),
• Скопление Центавра (A3526),
• Скопление Гидры (A1060),
• И еще семь крупных галактических систем.

Из базового списка исследователи намеренно исключили скопления с экстремальной активностью обычных астрофизических объектов. Например, было исключено скопление Персея, в центре которого находится мощная радиогалактика NGC 1275: ее переменное гамма-излучение создало бы слишком высокий уровень фонового шума.

Анализ 15,5 лет наблюдений и статистические результаты

Космический гамма-телескоп Fermi-LAT находится на околоземной орбите с 2008 года. За 15,5 лет прибор собрал гигантский массив данных, однако поток гамма-квантов высоких энергий от далеких скоплений галактик крайне мал: детектор регистрирует единичные фотоны в год от каждого отдельного объекта.

Чтобы извлечь слабый сигнал из статистического шума, исследователи применили метод сложения данных (стекинг). Фотоны, пришедшие из областей расположения всех 13 скоплений, были объединены в единую выборку.

При этом алгоритм учитывал космологическое расширение пространства. Свет, идущий от далеких галактик, испытывает красное смещение, из-за чего его частота и энергия уменьшаются пропорционально расстоянию до источника. Чтобы скорректировать этот эффект, наблюдаемая энергия каждого зарегистрированного кванта пересчитывалась в систему покоя исходного скопления галактик путем умножения на единицу плюс величина красного смещения.

Для поиска линии использовался небиннированный метод максимального правдоподобия. Вместо искусственного разбиения спектра на широкие интервалы программа оценивала вероятность регистрации каждого индивидуального фотона, сопоставляя его энергию с инструментальным разрешением телескопа в конкретный момент времени.

Анализ проводился методом скользящего энергетического окна в диапазоне от 5 до 300 ГэВ. Окно последовательно смещалось по спектру. Внутри каждого интервала непрерывный астрофизический фон аппроксимировался плавной функцией, к которой добавлялся узкий компонент искомой спектральной линии.

Результаты вычислений показали отчетливый избыток фотонов на энергии 43,2 ГэВ.

Для трех скоплений с наивысшими расчетными показателями плотности темной материи (Дева, Печь и Змееносец) значение тестовой статистики достигло 30,1. Тестовая статистика показывает, насколько гипотеза о наличии реального сигнала превосходит нулевую гипотезу о чисто случайных колебаниях фона.

Чтобы исключить эффект множественных проверок (когда среди сотен проанализированных энергетических интервалов случайный шум может статистически сымитировать полезный сигнал), авторы провели 3000 компьютерных симуляций случайных пустых участков неба. С учетом этой поправки итоговая глобальная значимость сигнала для трех скоплений составила 4,3 стандартных отклонения (4,3 сигма).

Для всей совокупности 13 скоплений значение тестовой статистики составило 21,3, что соответствует глобальной значимости 3,7 сигма. Снижение относительной значимости при добавлении десяти второстепенных объектов связано с тем, что они расположены дальше и обладают меньшей плотностью массы, что неизбежно снижает отношение полезного сигнала к уровню космического фона.

В физике элементарных частиц уровень значимости 5 сигма считается порогом строго доказанного научного открытия: вероятность случайной флуктуации при таких параметрах составляет менее одного шанса на три с половиной миллиона. Уровень 4,3 сигма означает, что вероятность случайной ошибки наблюдений не превышает сотых долей процента.

Проверка на аппаратные и систематические погрешности

В 2012 году научное сообщество активно обсуждало возможное обнаружение линии на 130 ГэВ в центре нашей Галактики, однако более поздние исследования доказали, что тот пик возник из-за несовершенства ранних алгоритмов калибровки детекторов Fermi. Памятуя об этом прецеденте, авторы новой работы выполнили всесторонний аудит полученных результатов:

1. Калибровка по лимбу Земли. Верхние слои атмосферы нашей планеты под ударами космических лучей генерируют непрерывный поток гамма-квантов с абсолютно гладким энергетическим спектром. Если в калибровочных таблицах или электронике телескопа есть систематический сбой на энергии 43 ГэВ, он обязательно проявился бы при наведении на атмосферный край Земли. Проверка показала полное отсутствие каких-либо отклонений на этой энергии (значение тестовой статистики составило лишь 0,6).
2. Проверка по режимам фильтрации. В программном комплексе Fermi фотоны классифицируются по степени достоверности реконструкции их направления и энергии. Линия на 43 ГэВ устойчиво наблюдается во всех категориях данных и достигает наибольшей статистической четкости именно в тех выборках, где прибор обеспечивает наивысшее энергетическое разрешение.
3. Устойчивость к математическим моделям фона. Замена стандартной степенной функции описания фона на более сложные уравнения (лог-параболические кривые, спектры с изломами или модели с искусственными линиями поглощения) не приводит к исчезновению пика. Значение тестовой статистики во всех вариантах превышает 20 единиц.
4. Пространственная локализация. Сигнал строго привязан к физическим границам скоплений (их вириальным радиусам). Плотность гамма-квантов максимальна в центрах объектов и закономерно падает по мере удаления к периферии.
5. Физическая ширина пика. Ширина обнаруженного всплеска не превышает 10 процентов от значения его центральной энергии, что полностью укладывается в пределы собственного разрешения телескопа Fermi (около 4,6 процента на энергии 43 ГэВ). Это подтверждает, что источник излучает строго монохроматические кванты.

Кроме того, ученые проверили зависимость накопления сигнала от времени: избыток фотонов рос равномерно на протяжении всех 15,5 лет работы телескопа, что исключает влияние единичных кратковременных астрофизических вспышек.

Фундаментальный парадокс: молчание центра Млечного Пути

Если обнаруженная линия действительно рождается при аннигиляции стандартной темной материи, возникает неразрешимое в рамках классической теории противоречие.

Центр нашей Галактики удален от Земли всего на 26 тысяч световых лет, тогда как расстояние до скопления Девы превышает 50 миллионов световых лет. Согласно общепринятым космологическим моделям распределения массы, концентрация темной материи в ядре Млечного Пути колоссальна. Если бы частицы темной материи аннигилировали по стандартным законам, центральная область Млечного Пути производила бы сигнал на 43,2 ГэВ, превосходящий по интенсивности скопление Девы в сотни раз.

Однако данные Fermi-LAT и специализированного китайского орбитального гамма-детектора DAMPE показывают, что в направлении на центр Галактики на энергии 43,2 ГэВ сигнал полностью отсутствует.

Этот нулевой результат устанавливает жесткие ограничения на вероятность взаимодействия частиц темной материи. Получается, что в нашей Галактике темная материя взаимодействует гораздо слабее, чем в далеких скоплениях.

Классическая модель вимпов, в которой вероятность аннигиляции постоянна и одинакова для всех объектов Вселенной, полностью исключается этими данными.

Возможные теоретические сценарии

Чтобы объяснить, почему скопления галактик излучают на энергии 43,2 ГэВ, а центр нашей Галактики остается темным, физикам приходится рассматривать нестандартные модели.

1. Зависимость аннигиляции от скорости частиц

Гравитационный потенциал гигантских скоплений галактик намного глубже, чем у нашей относительно небольшой спиральной Галактики. В результате средняя скорость движения частиц темной материи в скоплениях достигает 1000 километров в секунду, тогда как в центре Млечного Пути она составляет около 200 километров в секунду.

Если вероятность аннигиляции зависит от скорости сближения частиц, это снимает противоречие:

• Квантовый эффект Зоммерфельда с резонансом. Если между частицами темной материи действуют дополнительные силы, переносимые относительно легкими неизвестными бозонами, сечение взаимодействия может резко, резонансно возрастать при определенных скоростях движения. Настроив параметры квантового резонанса на скорости около 1000 километров в секунду, теоретики получают модель, в которой горячие скопления галактик светятся очень ярко, а относительно холодный центр Млечного Пути почти не производит излучения.
• Аннигиляция через р-волну. Если при квантовомеханическом столкновении орбитальный угловой момент взаимодействующей пары частиц не равен нулю, вероятность их аннигиляции оказывается прямо пропорциональна квадрату их относительной скорости. В таких условиях системы с высокой дисперсией скоростей будут производить гамма-излучение на порядки эффективнее систем с медленным движением частиц.

2. Сверхплотные субструктуры

Если гало темной материи в скоплениях не является гладким, а состоит из огромного количества сверхкомпактных сгустков с высокой локальной плотностью, суммарный темп столкновения частиц возрастает в тысячи раз. Впрочем, результаты современных численных симуляций формирования крупномасштабной структуры Вселенной не подтверждают возможность столь сильной фрагментации темной материи.

3. Астрофизический механизм без темной материи

Узкая спектральная линия может формироваться естественными астрофизическими объектами, если в них протекают редкие релятивистские процессы.

Если в скоплениях действует многочисленная популяция быстро вращающихся миллисекундных пульсаров, они могут выбрасывать пучки электронов и позитронов, разогнанных до строго одинаковой ультрарелятивистской скорости. При столкновении этих заряженных частиц с квантами окружающего оптического или инфракрасного излучения происходит обратный комптоновский эффект: электроны передают свою кинетическую энергию фотонам.

В глубоком квантовом режиме Клейна — Нишины это рассеяние превращает непрерывный спектр электронов в узкую спектральную гамма-линию.

Слабое место этой гипотезы заключается в том, что пульсары в нескольких изолированных и независимых скоплениях галактик должны были каким-то образом настроиться на генерацию частиц с абсолютно одинаковыми энергетическими параметрами, что маловероятно.

Пределы существующих приборов и путь к проверке

Современная наблюдательная астрономия подошла к пределу своих технических возможностей в данном диапазоне:

• Орбитальный телескоп Fermi-LAT продолжает сбор данных, но для простого удвоения текущей статистики ему потребуется работать на орбите еще 15 лет — вплоть до 2040 года.
• Китайский космический аппарат DAMPE обладает превосходным энергетическим разрешением (около 1 процента на энергии 43 ГэВ), однако площадь его чувствительной матрицы в 7 раз меньше, чем у Fermi. Из-за этого прибор физически не успел накопить достаточное количество фотонов от далеких скоплений, и его нулевой результат на текущем этапе статистически закономерен.
• Наземные системы черенковских телескопов (включая строящийся международный комплекс CTAO), регистрирующие вторичные вспышки в атмосфере, показывают низкую эффективность на энергиях около 40 ГэВ. Их энергетическое разрешение на этих частотах падает до 15 процентов, а огромный фон от заряженных космических лучей в атмосфере полностью заглушает полезный космический сигнал. Расчеты показывают, что CTAO не сможет зафиксировать эту линию даже за сотни часов прямых наблюдений.

Главным инструментом окончательной проверки сигнала должен стать проектируемый китайский космический гамма-телескоп VLAST (Very Large Area Gamma-Ray Space Telescope).

Его геометрический фактор (способность улавливать частицы в широком угле обзора) составит около 12 квадратных метров на стерадиан — это в 15 раз больше, чем у Fermi-LAT. В сочетании с энергетическим разрешением 1,3 процента на энергии 50 ГэВ, телескоп VLAST будет способен подтвердить или опровергнуть существование линии на 43,2 ГэВ уже в течение первых одного-двух лет своей работы на орбите.

Значение для картины мира

Если линия на 43,2 ГэВ окажется статистической погрешностью, это станет одним из самых изощренных артефактов в истории физики высоких энергий, прошедшим через 15 лет непрерывных проверок на устойчивость.

Если же сигнал подтвердится новыми инструментами, астрофизикам предстоит выбрать между двумя фундаментальными выводами:

1. Общепринятая теория темной материи неверна, и поведение частиц скрытой массы определяется сложными квантовыми законами, которые активируются только при скоростях движения в тысячи километров в секунду.
2. Во Вселенной действует неизвестный класс компактных астрофизических ускорителей, синхронно генерирующих моноэнергетические потоки релятивистской материи в масштабах целых скоплений галактик.

Окончательное решение этого вопроса произойдет после вывода на орбиту гамма-обсерваторий следующего поколения.

Источник: arXiv