Нове дослідження, що проливає світло на одну з найбільших загадок космосу, припускає, що телескоп Fermi Gamma-ray Space Telescope, що належить NASA, міг здійснити перше в історії спостереження невловимої темної матерії – невидимої та таємничої субстанції, яка становить більшу частину матерії у Всесвіті. Проте науковці, зокрема й автор цього революційного дослідження, застерігають, що для повного розуміння цього відкриття необхідні додаткові глибокі розвідки.
Космічний гамма-телескоп Фермі, який невтомно досліджує високоенергетичні довжини світлових хвиль, відомі як гамма-промені, зафіксував випромінювання у серці нашої галактики Чумацький Шлях. Ці випромінювання, згідно з опублікованою у вівторок, 25 листопада, працею в “Journal of Cosmology and Astroparticle Physics”, можуть бути пов’язані з частинками, що асоціюються саме з темною матерією. Чумацький Шлях – це спіральна галактика, де знаходиться наша Сонячна система, а її центральна частина, наповнена мільярдами зірок та газу, є також передбачуваним місцем значного скупчення темної матерії.
Томонорі Тотані, професор астрономії Токійського університету та єдиний автор цього дослідження, не стримував свого захоплення, зазначивши у своїй заяві: “Якщо це підтвердиться, наскільки мені відомо, це стане першим випадком, коли людство ‘побачило’ темну матерію”. Токійський університет, розташований у столиці Японії, є одним з найпрестижніших дослідницьких закладів у світі, відомим своїми досягненнями у фізиці та астрономії.
Голос скептицизму та попередні загадки
Втім, праця самого Тотані містить важливе застереження: необхідно отримати незалежне підтвердження цього сигналу, причому не тільки з Чумацького Шляху, але й “з інших об’єктів або регіонів” із подібними властивостями. Шон Тулін, професор фізики та астрономії Йоркського університету в Торонто, у розмові з виданням Live Science висловив побажання щодо незалежного аналізу цієї роботи. Він підкреслив, що це не перший раз, коли подібні заяви робилися з використанням телескопа Фермі. Йоркський університет – це великий публічний дослідницький університет, розташований у Торонто, Канада, який також є центром передових наукових досліджень.
Яскравим прикладом попередніх загадок є так званий “надлишок галактичного центру” – джерело незрозумілого гамма-випромінювання, виявлене за даними Фермі у 2009 році. Після майже двох десятиліть подальших досліджень науковці все ще сперечаються, чи є цей надлишок результатом темної матерії, чи ж більш звичних астрономічних явищ, таких як пульсари. Пульсари – це швидко обертові нейтронні зірки, що випромінюють пучки електромагнітного випромінювання.
Гіпотетичні WIMP-частинки у космічному просторі
Темна матерія – це невидима субстанція, яка, як вважається, становить переважну більшість усієї матерії у Всесвіті. Дотепер її присутність була виявлена лише завдяки її гравітаційному впливу на інші об’єкти. Наприклад, у знаковій праці 1933 року астроном Фріц Цвіккі – швейцарський астроном, який вперше висунув гіпотезу про існування темної матерії, спостерігаючи рух галактик у скупченні Кома, – зазначив, що далекі галактики рухаються одна навколо одної швидше, ніж передбачалося, виходячи з видимої матерії, яку можна було спостерігати за допомогою телескопів. Гравітаційний вплив темної матерії був тоді визначений як вірогідна причина цього феномену.
Існувало кілька гіпотез щодо складу темної матерії, але більшість сучасних астрономів припускають, що вона складається з субатомних частинок. Дослідження Тотані зосереджується на популярній теорії частинок – так званих слабко взаємодіючих масивних частинках (WIMP – Weakly Interacting Massive Particle).
WIMP-частинки не вписуються в широко використовувану Стандартну модель фізики елементарних частинок, яка досить успішно описує взаємодію основних будівельних блоків матерії. Проте ця модель не враховує силу гравітації та існування темної матерії, як зазначають експерти Європейської організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) – найбільшої у світі лабораторії фізики високих енергій, розташованої на кордоні Швейцарії та Франції.
WIMP-частинки, згідно із заявою, важчі за протони і майже не взаємодіють з іншими видами матерії. Однак, коли дві такі частинки стикаються одна з одною, вони повинні знищитися, вивільняючи при цьому велику кількість енергії у вигляді інших частинок, включаючи гамма-фотони.
Темна матерія – так чи ні?
Для пошуку гамма-променів, пов’язаних зі зіткненнями WIMP-частинок, багато досліджень фокусувалися на скупченнях темної матерії, зокрема – на центрі нашої галактики Чумацький Шлях. Дані, отримані за 15 років спостережень за допомогою телескопа Фермі, показали гамма-випромінювання “у галоподібній структурі в напрямку центру Чумацького Шляху”, яка “відповідає формі, очікуваній від гало темної матерії”. Гало темної матерії – це гіпотетична, велика, майже сферична область навколо галактик, що містить основну масу темної матерії.
Ці гамма-промені були надзвичайно енергійними, з енергією фотонів у 20 гігаелектронвольт (20 мільярдів електронвольт). Згідно з заявою, ця енергія “відповідає випромінюванню, передбаченому при анігіляції гіпотетичних WIMP-частинок”, а також частоті анігіляції цих частинок.
Однак професор Тулін зауважив, що цей сигнал з’являється лише після того, як з нього видаляється фон “усіх джерел енергетичних фотонів, що надходять з Чумацького Шляху”, включно з його центром та диском. Деяка фонова енергія також присутня від “бульбашок Фермі” – двох гігантських зон газу та космічних променів, що нависають над галактикою.
Усі дослідження, що стосуються джерел енергії з Чумацького Шляху, потребують моделювання цього фонового шуму, а потім його віднімання, щоб “виявити основний сигнал”, – пояснив Тулін. “Те, що ви виводите для сигналу, дуже ретельно залежить від того, що ви відняли від фону. Існує ризик бути ошуканим, якщо ви віднімаєте щось невірно”, – додав він.
Крім питань щодо фону, Тулін зазначив, що сигнал може залежати від типу обговорюваної частинки темної матерії. “Що це означає – яка саме модель для цієї частинки темної матерії?” – розмірковував він. “Яка її маса? Які її фундаментальні властивості? Які її різні взаємодії?”
Проте, модель анігіляції для стандартної WIMP-частинки “цілком обґрунтована” зі спостереженим Тотані сигналом, за словами Туліна, за умови, що дослідження спостерігає WIMP-частинки згідно з нашим поточним розумінням моделі, і фон віднімається коректно.
Тулін, який мав доступ до попереднього варіанту дослідження під час розмови з Live Science, додав, що попри його застереження, ці знахідки “були б надзвичайним явищем, якби вони дійсно були зумовлені темною матерією. Це важливо не лише для майбутніх астрономічних спостережень, але й тому, що цей тип частинок темної матерії можна було б перевірити та виявити у найрізноманітніших експериментах, таких як підземні лабораторії та колайдери”.
З усім тим, “ніхто насправді не ставить на карту свої заощадження, вважаючи, що цього разу все виявилося правильним”, – сказав Тулін про нове дослідження. “Ми бачили, як багато аномалій з’являлися. Багато аномалій зникали. Деякі аномалії залишалися з нами і все ще вимагають подальших досліджень”.
