Фотоны из центра
Галактики указывают на то, что частицы тёмной материи имеют массу в 30–35 ГэВ.
Но попытки найти их в этом диапазоне в земных лабораториях (с помощью известных
негравитационных взаимодействий) пока не слишком удачны. Не участвует ли ТМ в
неизвестном, пятом виде физических взаимодействий?
Гамма-телескоп «Ферми»
не первый год намекает на наличие в центре нашей Галактики следов аннигиляции
частиц тёмной материи (ТМ) — субстанции, вроде бы составляющей основную часть
всего сущего, но до сих пор надёжно не зарегистрированной. Предполагается, что
ТМ, как и обычная материя, имеет для своих частиц «тёмные» же античастицы, и
рано или поздно такие «напарники» должны сталкиваться, порождая то же, что
вещество, столкнувшееся с антивеществом, — поток частиц света, фотонов высоких
энергий. Поскольку ТМ точно способна гравитационно взаимодействовать с обычной,
то её притягивает к центру Галактики, плотнее всего упакованному материей. И
вероятность подобной аннигиляции в ядре должна быть самой высокой, порождая
заметный избыток гамма-излучения:
Fermi
Galactic Center Zoom
Эта
анимация масштабирована в изображении Млечного Пути (как показано в видимом
свете) и накладывает гамма-излучения на карту галактического центра Ферми NASA. Выявленный
избыток гамма-излучения указывает на присутствие темной материи.
Новое исследование,
предпринятое учёными во главе с Танцу Дайланом (Tansu Daylan) из Гарвардского университета (США), в очередной раз
попыталось проверить, так ли это — или загадочное излучение из центра Галактики
всё же вызвано быстровращающимися нейтронными звёздами, также способными на
гамма-излучение в наблюдаемом «Ферми» диапазоне.
Для этого учёные
провели собственный анализ полученных космическим телескопом данных и заодно
проверили выводы других групп, сделанные на сходной основе. «Обрезав» хвосты
функциям рассеяния точек, описывающим зависимость распределения яркости
излучения от координат в плоскости изображения, они получили более чёткую, чем
когда-либо ранее, карту гамма-излучения, поступающего из ядра Млечного Пути. При
этом оказалось, что излучение исходит из области диаметром в 5 000 световых
лет, имеющей чёткую сферическую форму, со сверхмассивной чёрной дырой Стрелец А* в центре.
 |
| Как ни крути галактический диск, из его центра определённо исходит гамма-излучение неясной природы, причём центр этой области очень близок к СМЧД Стрелец А* |
Если учёные
действительно правы в интерпретации таких фотонов как следов ТМ, то невидимые
частицы этого вида материи должны быть примерно в 30–35 раз тяжелее обычного
протона, знакомого нам по атому водорода, то есть речь идёт о примерно 30–35
ГэВ. И это довольно странно, даже необъяснимо. Дело в том, что в этом диапазоне
на Земле проведено множество экспериментов по поиску ТМ-частиц, и следы ТМ
такого рода должны были давно проявиться. Но этого не случилось. Почему же?
Возможно, ответ на этот
вопрос заключается в том, что мы не совсем верно представляем себе те
взаимодействия, в которых ТМ-частицы участвуют. Современные теории считают, что
ТМ- и «нормальные» частицы взаимодействуют, обмениваясь либо Z-бозоном
(переносчиком слабого взаимодействия), либо бозоном Хиггса, отвечающим за
наличие у элементарных частиц их масс. Следовательно, в районе 30 ГэВ такие
взаимодействия должны быть замечены экспериментаторами.
А вот если ТМ-частицы
плевать хотели на Z-бозон и даже отчасти на его хиггсовского коллегу, то,
конечно, зарегистрировать ТМ в таких опытах не получится, потому что ставить их
надо несколько иным образом. Правда, тогда для взаимодействия ТМ-частиц и обычных
нужен другой, ещё неведомый... Да-да, требуется пятое, неизвестное
фундаментальное взаимодействие. «Было бы просто здорово, если бы, открывая
тёмную материю, мы попутно открыли бы и новый вид физических взаимодействий», —
говорит Трэйси Слэйтир (Tracy Slatyer) из Массачусетского технологического
института (США).
Вам не по себе от таких
предположений? После этих слов мы тоже огляделись по сторонам, проверяя, живём
ли мы в том же мире, где проснулись утром. И всё же, если сигналы «Ферми»
интерпретированы верно, вероятность существования пятой силы начинает выглядеть
много более реальной, чем прежде. Как вы понимаете, это будет означать
серьёзную корректировку физики — более существенную, чем даже после бозона
Хиггса.
 |
| Обработка полученных гамма-телескопом сырых данных (слева и справа — итоги обработки) оставила чёткое превышение фона, особенно сильное в диапазоне 1–3 ГэВ |
Напрашивается, как
говорил классик, вопрос: «Яка розумна цьому альтернатива?» (укр.яз.) / («Какая разумная этому
альтернатива?" - русск.яз.)
Очевидно, остаётся одно: сигнал «Ферми» может быть вообще не связан с тёмной материей. Как же так, вроде бы миллисекундные пульсары не подходят на роль альтернативных источников? Среди прочего миллисекундные пульсары обычно выдают гамма-излучение, по энергии частиц уступающее даже 1 ГэВ... Ну, один вариант всё же есть. «Это могли бы быть пульсары такого типа, о которых мы ещё ничего не знаем», — предполагает Кеворк Абазаджян (Kevork Abazajian), астроном из Калифорнийского университета в Ирвайне (США). Конечно, это более комфортная версия, соглашается он:
«Проще думать о новом классе нейтронных звёзд, чем о целом новом типе материи».
Как бы нам всё-таки
отделить неведомые пульсары от не менее загадочной пятой силы и выяснить, что
из этих двух вариантов правда? Есть кое-какие возможности: вокруг Млечного Пути
присутствует пара дюжин карликовых галактик-спутников, в которых, по идее,
удельный вес тёмной материи должен быть много больше, чем в нашей Галактике. То
есть и распадаться там она должна интенсивнее. Уже сейчас за ними ведутся
наблюдения, которые в скором времени смогут показать нам, есть ли в таких
местах сигналы, подобные тем, что видит «Ферми» в нашем галактическом ядре.
По факту та же
коллаборация «Ферми» уже дала данные, указывающие на регистрацию следов
аннигиляции ТМ в галактиках-спутниках с вероятностью в 2–3σ. И если дело дойдёт
до 5σ, то сцепка «тёмная материя — новый вид физических взаимодействий» может
стать передним краем современной физики.
Отчёт об исследовании
предполагается опубликовать в журнале Physical Review D, а с его препринтом
можно ознакомиться здесь.
Подготовлено по
материалам Nature News