Вчені, ймовірно, знайшли новий вид темної матерії — і він ховається в самому центрі Чумацького шляху. В порівнянні з іншими кандидатами, це явище не лише легше, а й має здатність до самознищення.
Дива у центрі близької-близької галактики
Коли дві частинки цього потенційного нового виду темної матерії зустрічаються, то вони знищують одне одну та створюють негативно заряджений електрон і його позитивно заряджений еквівалент, позитрон — цей процес, відомий як іонізація, забезпечує енергію, необхідну для відриву електронів від нейтральних атомів у щільному газі в центрі Чумацького Шляху. Власне, це може бути цілком пристойним поясненням для того, чому у серці нашої галактики (місці, відомому під назвою Центральна молекулярна зона або CMZ) так багато іонізованого газу.
«Ми припускаємо, що темна матерія, легша за протон, може бути відповідальною за незвичайний ефект, який спостерігається в центрі Чумацького Шляху. На відміну від більшості кандидатів, які часто вивчаються через їхні гравітаційні ефекти, цей вид темної матерії може проявитися через іонізуючий газ, по суті, позбавляючи електрони від атомів у CMZ», — пояснює керівник групи та науковий співробітник Королівського коледжу Лондона Шям Баладжі.
Темна матерія — це гіпотетичний компонент Всесвіту, на який, якщо не брати до уваги темну енергію, припадає 80% від його загального складу. Попри цю всюдисущість, вчені не можуть побачити темну матерію, а фіксують присутність компонента виключно за його гравітаційним впливом на видиму матерію і на реліктове випромінювання.
Наразі головними кандидатами на темну матерію є аксіони та аксіоноподібні частинки, проте Баладжі з колегами виключили їх як винуватців в тому явищі, що відбувається в центрі Чумацького шляху.
«Більшість аксіонних моделей не передбачають значної анігіляції
Анігіляція — взаємодія елементарних частинок і античастинок, унаслідок якої вони перетворюються в інші форми матерії, напр. перетворення електрона і позитрона в пару фотонів. в електрон-позитронні пари, як це робить запропонована нами темна матерія», — каже Баладжі. «Вона має масу один мільярд електровольтів і самоанігілює на електрони та позитрони, що вирізняє її від інших. Цей вид безпосередньо впливає на міжзоряне середовище, створюючи ознаки у вигляді додаткової іонізації, чого зазвичай не очікують від аксіонів».
Темна матерія — головний кандидат
В умовах високої щільності CMZ позитрони не можуть далеко подорожувати без попередньої взаємодії з сусідніми молекулами водню і захоплення їхніх електронів, тож в цьому регіоні процес виглядає особливо ефективним.
«Найбільша проблема, яку допомагає вирішити ця модель, — це надлишок іонізації в CMZ», — каже Баладжі. «Космічні промені, звичайні винуватці іонізації газу, здається, недостатньо сильні, щоб пояснити високий рівень іонізації, який ми спостерігаємо».
Космічні промені — це високоенергетичні елементарні частинки, які рухаються зі швидкістю, близькою до світла. Але сигнали іонізації від CMZ, за даними команди, вказують на повільніше рухоме джерело, яке є легшим за багато інших кандидатів на темну матерію. Крім того, якби космічні промені виступали іонізуючим газом у CMZ, мало б фіксуватись пов’язане випромінювання гамма-променів, однак дослідники регіону цього досі не бачили.
Крім того, модель анігіляції темної матерії може також пояснити характерне випромінювання світла від CMZ, яке виникає внаслідок зіткнення позитивно заряджених позитронів і негативно заряджених електронів і об’єднання в стан під назвою позитроній, який потім швидко розпадається на рентгенівські промені, світло з трохи меншою енергією, ніж гамма-промені.
«Цифри збігаються набагато краще, ніж ми очікували. Часто пояснення темної матерії стикаються з проблемами, оскільки передбачають сигнали, які вже повинні були бути помічені телескопами», — додає Баладжі. «Але в цьому випадку швидкість іонізації, створюваної цією темною матерією, ідеально відповідає відомим обмеженням і не суперечить спостереженням гамма-променів і космічного мікрохвильового фону»
Ще одна теорія
Очевидно, новий кандидат на темну матерію перебуває на самому початку свого теоретичного життя і ще не має навіть офіційної назви. Пояснення з аксіонами, для порівняння, існує ще з 1978 року, коли було вперше запропоноване фізиками-теоретиками Френком Вільчеком і Стівеном Вайнбергом.
«Нам потрібні більш точні вимірювання іонізації в CMZ; якщо ми зможемо точніше відобразити іонізацію, то зможемо побачити, чи відповідає вона очікуваному розподілу темної матерії», — підсумовує Баладжі. «Якщо ми виключимо інші потенційні джерела іонізації, гіпотеза темної матерії стане більш переконливою».
У пошуку подальших доказів зв’язку між анігілюючою темною матерією та дивними випромінюваннями від CMZ може допомогти майбутній космічний телескоп NASA COSI (Compton Spectrometer and Imager) — його планували запустити у 2027 році, але у зв’язку з реструктуризацією агенції з приходом нової американської влади, ці плани ще можуть змінитися.
Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Letters (через Space.com).
