Стовідсоткова загадка темної матерії — невидимого елемента, що вважається основою для формування галактик — отримала сучасні підказки.
Вчені стверджують, що вони можуть наблизитися до підтвердження існування цього нещодавно недосяжного матеріалу завдяки новим симуляціям, які вказують на те, що ледь помітне сяйво в центрі Чумацького Шляху може бути довгоочікуваним знаком темної матерії.
Темна матерія, яка складає приблизно 27% матерії у Всесвіті, залишається однією з найбільших загадок космології. Вона не поглинає й не відбиває світло, що робить її абсолютно невидимою для телескопів. Незважаючи на десятиліття експериментів, від підземних детекторів часток до космічних обсерваторій, вчені ніколи не реєстрували темну матерію безпосередньо. Однак нові комп’ютерні симуляції команди Муру можуть наблизити нас до розгадки цієї загадки.
Дослідження показують, що темна матерія біля центру Чумацького Шляху може не утворювати ідеальну сферу, як вважали довгий час. Натомість, вона виглядає сплюснутою, майже яйцеподібною, і ця форма близько відповідає моделі загадкових гамма-променів, які спостерігали за допомогою гамма-телескопа Фермі.
Це продовжує дослідження, яке почалося ще в 2008 році, коли Фермі вперше помітив широку, розмиту яскравість високоенергетичного світла біля галактичного ядра, якою простягається на близько 7000 світлових років. Сигнал був набагато яскравішим, ніж могли пояснити існуючі моделі.
Деякі вчені висунули припущення, що ці промені можуть бути побічними продуктами зіткнень невидимих часток темної матерії, відомих як WIMPs (слабко взаємодіючі масивні частки), що знищують одна одну. Інші припустили, що їх походження може бути пов’язане з швидко обертовими залишками зірок, відомими як мілісекундні пульсари — старі нейтронні зірки, які випускають пучки радіації подібно до космічних ліхтарів.
Теорія пульсарів виглядала розумною, оскільки гамма-променеве сяйво виглядало сплюснутим і видавалося випуклим, як і зіркове центральне регіон Чумацького Шляху. Якби темна матерія була причиною цього сяйва, вчені очікували б, що візерунок буде більш гладким і округлим.
Муру та його команда вирішили протестувати обидві теорії. Використовуючи потужні суперкомп’ютери, вони змоделювали, як формувався Чумацький Шлях, включаючи мільярди років насильницьких зіткнень і злиттів з меншими галактиками. Виявилося, що ці спроби залишили глибокі «відбитки» на розподілі темної матерії в галактичному ядрі.
Коли ця складна історія враховується, симульована обвивка темної матерії вже не виглядає сферичною. Натомість, вона набуває сплюснутої, яйцеподібної форми, що відповідає моделі гамма-випромінювання, яку спостерігав Фермі, згідно з новим дослідженням.
«Ми показуємо, що темна матерія також має цю сплюснуту форму», — сказав Муру. «Отже, вона дійсно краще відповідає [гама-променевому] надлишку, ніж ми очікували раніше».
Це відкриття вказує на те, що темна матерія може дійсно бути головним кандидатом на пояснення загадкового сяйва Чумацького Шляху. Проте дослідники зазначають, що не можна повністю відкидати пульсари. Обидва варіанти, команда доходить висновку, наразі є «фактично нерозрізненними».
Якщо надлишок дійсно виникає внаслідок зіткнень темної матерії, це стане першим непрямим доказом, що WIMPs, провідний кандидат на роль темної матерії, дійсно існують.
Визначальні відповіді можуть з’явитись до кінця 2020-х років, коли Обсерваторія Черкновського телескопа (CTAO) почне дослідження неба з двох майданчиків у Чилі та Іспанії. Цей об’єкт зможе спостерігати гамма-промені з набагато вищим дозволом, ніж Фермі, що, за словами дослідників, може допомогти розрізнити скупчення пульсарів, які мають вищі енергії, і частки темної матерії, що знищуються з нижчими енергіями.
Муру додав, що спостереження гамма-променів менших карликових галактик, що обертаються навколо Чумацького Шляху, в ядрах яких також міститься темна матерія в щільних осередках, можуть ще більше перевірити обидва варіанти.
«Саме там ми сподіваємося виміряти сигнал», — сказав Муру. «Ми справді чекаємо на ці спостереження».
Вчені впевнені, що темна матерія існує. Спроба виявити її залишається однією з найскладніших і вражаючих викликів у сучасній фізиці.
«Чомусь вона все ще втікає від нас», — зазначив Муру. «І я думаю, що ця загадка робить її ще більш цікавою».
Результати були представлені у дослідженні, опублікованому 16 жовтня в журналі Physical Review Letters.