Космический гамма-телескоп расширяет зону охоты за тёмной материей

Три группы учёных, занимающихся поиском тёмной материи, установили важные ограничения по параметрам потенциальных частиц этого странного вещества.

Три группы учёных, занимающихся поиском тёмной материи, установили важные ограничения по параметрам потенциальных частиц этого странного вещества.
Иллюстрация Axel Mellinger/Central Michigan University.

Тёмная материя – это загадочное вещество, которое составляет большую часть материи Вселенной. Однако она до сих пор остаётся абсолютно неуловимой: опыты ни на Земле, ни в космосе не нашли её следов. Тем не менее даже, казалось бы, неудачные эксперименты помогают учёным исключать некоторые теоретические модели.

Так, три исследования, опубликованные в этом году, использовали данные шести лет наблюдений космического гамма-телескопа Ферми, созданного NASA, и применили к ним новые подходы. Благодаря этому учёные сузили границы, в рамках которых они в дальнейшем будут охотиться за тёмной материей.

"Мы искали обычных "подозреваемых" в обычных местах и не нашли никаких следов. В итоге мы начали искать, применяя новые способы, — рассказывает исследовательница Джулия МакИнери (Julie McEnery) из Цен­тра кос­ми­чес­ких по­лё­тов Год­дар­да.

По её словам, "новые результаты "Ферми" помогли исключить многих кандидатов и показали, что тёмная материя может влиять лишь на малую часть гамма-фона за пределами нашей галактики Млечный Путь".

Тёмная материя не излучает и не поглощает свет, взаимодействуя с остальной частью Вселенной посредством гравитации. Астрономы видят её воздействие по всему космосу – во вращении галактик, в искажении света, проходящего через галактические кластеры, а также в моделировании ранней Вселенной, которое требует наличия тёмной материи для образования галактик.

Основными кандидатами на роль тёмной материи стали разные классы гипотетических частиц. Учёные считают, что гамма-лучи, имеющие из всего спектра наибольшую энергию, могут помочь выявить наличие некоторых видов предполагаемых частиц тёмной материи.

Ранее телескоп помогал искать особые всплески гамма-излучения, потенциально связанные с тёмной материей, в центре нашей галактики и в небольших карликовых галактиках. И хотя не было найдено никаких убедительных сигналов, полученные результаты помогли исключить некоторых кандидатов в частицы тёмной материи в определённом диапазоне масс и некоторых других параметров. Это, в свою очередь, позволило ограничить (уточнить) возможные характеристики частиц тёмной материи.

В ходе новых исследований учёные предположили, что тёмная материя может состоять из гипотетических частиц – аксионов, или других частиц с подобными свойствами. Интригующим свойством подобных частиц является их способность превращаться в гамма-лучи и обратно, когда они взаимодействуют с сильными магнитными полями. Такие преобразования оставляли бы характерные следы в спектре яркого источника гамма-излучения.

Мануэль Майер (Manuel Meyer) из Стокгольмского университета проводил исследование и искал эти эффекты в гамма-лучах, исходящих от NGC 1275 — центральной галактики в скоплении Персея — расположенного в 240 миллионах световых лет от нас. Высокоэнергетические выбросы, исходящие от NGC 1275, как считается, связаны со сверхмассивной чёрной дырой в её центре. Как и все скопления галактик, скопление Персея обладает магнитными полями, которые позволили бы "переключаться" частицам вроде аксионов в гамма-лучи и затем снова в частицы.

Команда Майера использовала наблюдения LAT — главного инструмента обсерватории Ферми, и искала предсказанные искажения в сигнале гамма-излучения. В своих выводах, опубликованных в научном издании Physical Review Letters, они исключили небольшой спектр частиц, подобных аксионам, которые могли бы составить около четырёх процентов тёмной материи.

Другой широкий класс кандидатов в тёмную материю называется "слабовзаимодействующие массивные частицы" (или вимпы). Согласно некоторым научным гипотезам, сталкивающиеся вимпы либо аннигилируют (уничтожаются), либо производят промежуточные, быстрораспадающиеся частицы. Оба сценария приводят к возникновению гамма-лучей, которые могут быть обнаружены с помощью LAT.

Реджина Капуто (Regina Caputo) из Ка­ли­фор­нийс­кого уни­вер­си­тета в Сан­та-Кру­з искала эти сигналы в Малом Магеллановом Облаке, которое находится в 200 тысячах световых лет от нас. Сегодня астрономы обладают высокоточными измерениями кривой вращения Малого Магелланово Облака, которые показывают, как скорость вращения изменяется с расстоянием от центра, и указывает на присутствие тёмной материи. В статье, опубликованной в Physical Review D, Капуто и её коллеги смоделировали содержание тёмной материи в Малом Магеллановом Облаке, показав, что её наличия достаточно для произведения двух типов вимпов и их обнаружения с Земли.

По словам Капуто, LAT "видит" гамма-лучи, исходящие от Малого Магелланова Облака, но все их можно объяснить обычными источниками. "Нами не было обнаружено ни одного сигнала аннигиляции тёмной материи, которые можно было бы считать статистически значимыми", — говорит она.

В третьем же исследовании учёные под руководством Марко Айелло (Marco Ajello) из Университета Клемсона и Маттиа Ди Мауро (Mattia Di Mauro) из На­ци­о­наль­ной ус­ко­ри­тель­ной ла­бо­ра­то­рии SLAC в США занимались поиском в другом направлении. Вместо того чтобы искать конкретные астрономические цели, команда использовала данные LAT за более чем шесть лет, анализируя фоновое свечение гамма-лучей по всему небу.

Природа этого света, называемого внегалактическим гамма-фоном, впервые была измерена спутником НАСА Small Astronomy Satellite 2 в начале 1970-х годов. Гамма-телескоп Ферми показал, что большая часть этого света исходит от непонятных источников гамма-излучения, в частности, возможно, от галактик под названием блазары.

Блазары составляют более половины от общего числа источников гамма-излучения, фиксируемых телескопом. Также на их долю приходится ещё больше позиций в новом каталоге LAT наиболее высокоэнергетических гамма-лучей.

Некоторые модели предсказывают, что внегалактический гамма-фон может создаваться далёкими взаимодействиями частиц тёмной материи — аннигиляцией или распадом вимпов. В детальном анализе высокоэнергетических гамма-лучей, опубликованном в Physical Review Letters, Айелло и его команда учёных показывают, что блазары и другие дискретные источники могут объяснять почти всё это излучение.

Новая информация, по мнению Айелло, поможет лучше понять, как часто вимпы сталкиваются или распадаются.

И хотя эти исследования всё-таки оставили учёных с пустыми руками, поиски тёмной материи по-прежнему продолжаются как в наземных экспериментах, так и в космических.