Det finns många mystiska händelser i mitten av Vintergatan. Det supermassiva svarta hålet som bor där är främst bland dem. Men det finns ett annat spännande pussel där: ett oväntat sfäriskt område med intensiva gammastråleutsläpp.
En ny studie tyder på att mörk materia kan ligga bakom dessa utsläpp.
Det finns många gammastrålekällor i universum, och de flesta av dem är väl förståda. Pulsars, magnetar och kvasarer producerar alla gammastrålar. Men kan de redogöra för gammastrålarna som kommer från mitten av vår galax?
Gamma-strålar är kraftfulla. De är en form av penetrerande elektromagnetisk strålning som produceras av de mest energiska fenomenen i universum. De har de kortaste våglängderna för alla typer av elektromagnetisk strålning och den högsta fotonenergin.
Överskottet av gammastrålar i hjärtat av Vintergatan är kända för fysiker, och de kallar det för galaktiska centrumöverskottet (GCE.) Vi vet mycket om Vintergatan, och den kunskapen har minskat förklaringarna för GCE ned till två ledande möjligheter: antingen en population av pulsars, som snabbt roterar neutronstjärnor, eller mörk materia. Fysiker tror att om det är mörk materia så finns det i ett tätt moln i mitten av galaxen, kolliderar med sig själv och förstör sig själv för att producera gammastrålar.
2015 visade en studie att källan till GCE faktiskt var pulsars och att mörk materia inte var inblandad. Denna studie kom från ett team av forskare från Princeton och MIT, inklusive docent i fysik Tracy Slatyer. De använde observationer av det galaktiska centrumet taget med Fermi Gamma-ray Space Telescope tillsammans med en modell som beskrev alla interaktioner i Vintergatan som kunde producera gammastrålar. De drog slutsatsen att pulsars var ansvariga.
Men en ny studie, som också involverade Slatyer från MIT, verkar ha vänt resultaten och pekade på mörk materia som källan till alla dessa gammastrålar.
Den nya studien heter "Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess" och publiceras i Physical Review Letters. Författarna är Tracy Slatyer från Center for Theoretical Physics vid MIT och Rebecca Leane från School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study. Deras studie säger att det finns ett problem med den tidigare, och dess resultat är opålitliga. Ett mörkt ämnesbidrag till GCE kunde ha gått obemärkt.
Svårigheten att begränsa GCE till antingen pulsarer eller mörk materia kommer till det sätt på vilket fotonerna släpps ut och på vår tekniska förmåga att upptäcka dem. Gamma-strålar från mörk materia skulle vara diffusa, medan de från pulsars skulle vara mer koncentrerade punktkällor. Under 2015 verkade alla gammastrålar diffusa, men det kan bero på att punktkällorna verkar diffusa till våra teleskoper, som har begränsad rumslig upplösning. 2015 drog forskarna slutsatsen att pulsars var ansvariga.
Vintergatan är mer eller mindre platt med en utbuktning i mitten. Gamma-strålarna upptar en sfärisk region i centrum cirka 5 000 ljusår i radie. Metoden som Slatyer och hennes kollegor utvecklade 2015 försökte lösa om den sfäriska regionen var "slät" eller om det var "kornigt". Deras resonemang var att om pulsars är källan till gammastrålarna, så skulle dessa gammastrålar få den sfäriska regionen att se kornig. Det skulle vara mörka luckor mellan gammastrålarna där det inte fanns några pulsar.
Men om gammastrålarna kommer från mörk materia, skulle den sfäriska regionen vara slät. "Varje siktlinje mot det galaktiska centrumet har förmodligen mörka materialpartiklar, så jag borde inte se några luckor eller kalla ställen i signalen," förklarade Slatyer.
De utvecklade en modell som stod för allt material och gas i Vintergatan och alla partikelinteraktioner som kunde producera gammastrålar. Sedan övervägde de modeller för GCE: s sfäriska region som antingen var kornig eller slät, och en statistisk metod för att skilja dem från varandra. Sedan tog de den modellen och matade faktiska Fermi Gamma-ray Space Telescope-observationer i den för att se om observationerna passade in i antingen en kornig eller en slät profil.
Om observationerna passar in i en kornig profil kan pulsars förklara gammastrålarna. Om de passar in i en slät profil, kan mörka materier förklara dem. Den korniga profilen passade överväldigande.
"Vi såg att det var 100 procent kornigt, och så sa vi:" Åh, mörk materia kan inte göra det, så det måste vara något annat, "påminner Slatyer. ”Mitt hopp var att detta bara skulle vara den första av många studier av den galaktiska centrumregionen med liknande tekniker. Men 2018 var de viktigaste korskontrollerna av metoden fortfarande de vi gjorde 2015, vilket gjorde mig ganska nervös för att vi kanske missat något. ”
Så småningom beslutade Slatyer och Leane att testa modellen. Slatyer var orolig över att det kanske inte var tillräckligt robust. De beslutade att skapa en "falsk" karta över himlen inklusive en mörk materiesignal och pulsars som inte var associerade med GCE. De matade in den i modellen och även om deras data innehöll en falsk mörk materiesignal drog modellen slutsatsen att den var kornig och därför pulsardominerad. Enligt Slatyer var det ett bevis på att deras modell inte var idiotsäker och att det fortfarande fanns utrymme för mörk materia att spela en roll i GCE.
"Om det är riktigt mörk materia, skulle detta vara det första beviset på att mörk materia interagerar med synligt material genom andra krafter än gravitationen."
Rebecca Leane, medförfattare, Institutionen för naturvetenskap, Institutet för avancerad studie.
Sedan föreslog en kollega att forskarna lägger till en falsk mörk materiesignal i kombination med verkliga Fermi-observationer för att testa sin modell istället för med en falsk bakgrundskarta.
De gjorde det och deras statistiska modell misslyckades med testet. Trots den släta mörkmaterialsignalen gav modellen ett kornigt pulsardominerat resultat. De svep upp sin mörka materiesignal till fyra gånger storleken på den faktiska GCE och deras modell kunde fortfarande inte upptäcka den.
"" På det stadiet var jag ganska upphetsad, eftersom jag visste att konsekvenserna var väldigt stora - det betydde att förklaringen på mörk materia var tillbaka på bordet, "säger Leane.
Om dessa senaste resultat är korrekta, är det en stor sak.
"Om det är riktigt mörk materia, skulle detta vara det första beviset på att mörk materia interagerar med synligt material genom andra krafter än allvar," säger Leane. ”Arten av mörk materia är en av de största öppna frågorna i fysik för tillfället. Att identifiera denna signal som mörk materia kan göra det möjligt för oss att äntligen avslöja den grundläggande identiteten hos mörk materia. Oavsett vad överskottet visar sig vara, kommer vi att lära oss något nytt om universum. ”
"Det är spännande i det att vi trodde att vi hade eliminerat möjligheten att detta är mörk materia," sade Slatyer i ett pressmeddelande. "Men nu finns det ett kryphål, ett systematiskt fel i påståendet vi gjorde. Det öppnar igen dörren för att signalen kommer från mörk materia. ”
Detta nya resultat publiceras i tidningen Physical Review Letters '11 december nummer.
Mer:
- MIT Pressmeddelande: Finns det mörk materia i mitten av Vintergatan?
- Forskningsdokument: Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess
- Wikipedia: Svagt samverkande massiva partiklar (WIMP: er)
