Gamma-strålar - det ljusaste, mest kraftfulla ljuset i universum - seglar över himlen osynliga för mänskliga ögon. Dessa exceptionellt energiska utbrott av strålning blinkar ut ur supernovaexplosioner, gnistrar av kolliderande neutronstjärnor och spjutade ut från de hungraste svarta hålen.
När astronomer kan fånga dem med gammastralteleskop pekar dessa osynliga fyrverkerier mot några av universumets mest explosiva strukturer. Nu hoppas ett internationellt team av forskare att dessa kraftfulla strålar också kan leda till något mycket mer konstigt och svårare - det osynliga ämnet som kallas mörk materia.
I en ny studie som accepterades för publicering i tidskriften Physical Review Letters, och detaljerad om förtryckningsdatabasen arXiv, tittade forskarna på vad de kallar "olöst gammastrålebakgrund" - det vill säga all svag och mystisk gammastråle signaler som finns kvar efter kända källor som svarta hål och supernovor redovisas. När teamet jämförde en karta med olösta gammastrålar med en karta över materialtäthet i samma sektion av universum, fann de att strålarna anpassade sig exakt till gravitationellt massiva områden där mörk materia förutsågs gömma sig.
Enligt studiens medförfattare Daniel Gruen antyder denna korrelation att mörk materia till stor del kan vara ansvarig för universumets svaga gammastrålebakgrund. Om så är fallet kan det ge astronomer några viktiga ledtrådar om det mystiska ämnets egenskaper.
"Mörk materia kan förfalla som en radioaktiv kärna och producera gammastrålar som den gör," sa Gruen, en astrofysiker vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory vid Stanford University i Kalifornien, berättade Live Science. "Eller kanske kolliderar flera mörka materialpartiklar och producerar gammastrålar när de interagerar."
Krusningar i mörkret
Mörk materia tros utgöra cirka 85% av universumets massa, även om forskare fortfarande inte är positiva vad eller var det är. Helt osynligt för moderna vetenskapliga instrument har saker aldrig upptäckts med framgång.
"Vi känner dock till några av mörka materiens egenskaper," sade Gruen. "Vi vet att det är väldigt vanligt och vi vet att det har massa som interagerar gravitationellt med annan massa."
Med andra ord, även om mörk materia är osynlig, gör den en synlig inverkan på universumet genom dess kraftfulla tyngdkraft. En av dessa påverkningar är känd som gravitationslinsering - i huvudsak hur ljus från avlägsna galaxer vrids av allvarligheten av de massiva föremål som den passerar på väg mot jorden.
För den nya studien tittade forskarna på en karta över gravitationslinser i en viss del av universum, sammanställd av ett projekt som kallas Dark Energy Survey (DES). Montering på ett gigantiskt teleskop i Chile tillbringade undersökningens dedikerade kamera ett år på att klippa av högupplösta bilder av hundratals miljoner galaxer, med fokus på där avlägset ljus är mest missformat av fickor av intensiv tyngdkraft. Medan några av de mest massiva regionerna på den resulterande kartan motsvarar kända galaxer, visar andra rejäl fickor det dolda inflytandet av mörk materia på jobbet, sade Gruen.
För att bättre förstå hur detta inflytande kan se ut jämförde forskarna denna masskarta med en karta över gammastråleutsläpp som upptäckts i samma region av NASA: s Fermi gammastråleteleskop under de senaste nio åren. Med hjälp av en matematisk modell tog teamet bort all strålning som definitivt kunde knytas till "vardagliga" källor som svarta hål och supernovor, baserat på deras energiproduktion, avstånd och olika andra faktorer.
Nu, kvar med bara de mystiska "olösta" gammastrålekällorna, jämför teamet båda kartorna. De såg en tydlig överlappning mellan regioner med hög gammastrålning och regioner med massor av massa.
"Detta är den första studien där vi har varit säker på att där det finns många gammastrålar, det också finns mycket mörk materia," sa Gruen.
Om mörk materia verkligen avger gammastrålar, kan det allvarligt begränsa hur det upptäcks och vad det faktiskt är gjort av. Det är dock fortfarande möjligt att den svaga gammastrålebakgrunden på Fermi-kartan inte har något att göra med mörk materia, sa Gruen. Den matematiska modellen som forskarna använde för att ogräsa ut de "vardagliga" källorna till gammastråleutsläpp (som svarta hål) är baserade på några antaganden om dessa objekts egenskaper. Om dessa antaganden är fel, kan avlägsna svarta hål vara ansvariga för mycket mer av den mystiska gammastrålebakgrunden än forskarna redogjorde för.
"Kanske den modellen är ofullständig, och kanske vi faktiskt lär oss något om dessa gammastråleutsända svarta hål," sa Gruen. "Kanske lever dessa svarta hål i mer massiva galaxer än vi trodde."
Mer information om både gammastrålar och gravitationslinser hjälper teamet att finslipa sin modell och bättre tolka sina kartor över universum. Sedan studiens slutsats har DES samlat sex gånger mer information om universumets massfördelning, och FERMI-satelliten är fortfarande en av många teleskop som spårar gammastrålexplosioner. En uppföljningsstudie som visar ännu tydligare resultat borde följa de närmaste åren, sade Gruen.
