Нечто: на Земле поймали сигнал от темной материи

Загадочная тёмная материя не видна в телескопы никаких диапазонов. Она проявляет себя лишь гравитационным воздействием на обычную материю. Эту печальную истину, похоже, придётся пересмотреть. На радость учёным.

В далёком скоплении галактик нечто поглощает и переизлучает рентгеновские лучи определённой энергии. И это нечто не может быть обычным веществом. Такой вывод делается в исследовании, опубликованном научной группой во главе с Джозефом Конлоном (Joseph P. Conlon) из Оксфордского университета. Работа доступна на сайте препринтов arXiv.org.

Как сообщает пресс-релиз исследования, Эта детективная история началась в 2014 году. Тогда научная группа во главе с Эзрой Булбуль (Esra Bulbul) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже обнаружила странное явление. В рентгеновском излучении скопления галактик, известного как скопление Персея, наблюдалась спектральная линия излучения с энергией 3,5 килоэлектронвольт. Результат был получен с помощью инструментов телескопов XMM-Newton и Chandra. Та же линия обнаружилась в излучении 73 других скоплений галактик, зарегистрированном телескопом XMM-Newton.

Буквально через неделю после публикации этого результата другая группа во главе с Алексеем Боярским (Alexey Boyarsky) из Лейденского университета в Нидерландах сообщила о наблюдении этой же линии в излучении галактики M31 и окраины скопления Персея на том же инструменте XMM-Newton.

Ни один известный астрофизический процесс не приводит к образованию такой линии. Поэтому астрономы предположили, что имеют дело с излучением загадочной тёмной материи.

Многие астрономы пытались повторить эти наблюдения, но загадочная линия то обнаруживалась, то нет. Это заставляло скептиков предположить, что учёные столкнулись с ошибкой в работе инструмента или в обработке данных.

В 2016 году новый японский телескоп Hitomi, специально предназначенный для наблюдения рентгеновских спектральных линий, не смог обнаружить линию 3,5 килоэлектронвольт в излучении скопления Персея. Казалось, что вопрос закрыт окончательно. Но это был лишь очередной поворот сюжета.

Команда Конлона обратила внимание, что изображения, даваемые "Хитоми", гораздо менее чёткие, чем у "Чандры". Поэтому в изображении скопления Персея смешивался сигнал от двух источников: излучение горячего газа, расположенного вокруг массивной галактики в центре кластера, и свет, исходящий из окрестностей сверхмассивной чёрной дыры в центре самой этой галактики.

Более чёткие изображения "Чандры" позволяют различить вклад этих источников. Воспользовавшись этим, авторы смогли отдельно проанализировать вклад чёрной дыры и излучение горячего газа.

Имея на руках ранние наблюдения "Чандры", сделанные ещё в 2009 году, они обнаружили удивительное: спектральная линия 3,5 килоэлектронвольт наблюдалась, но в "X-лучах", испущенных газом, это была линия излучения, а в излучении чёрной дыры – линия поглощения! Как выяснилось, телескоп Hitomi смешал вклад от двух источников, в итоге линии компенсировали друг друга и поэтому не наблюдались. Исследователи проверили это, выполнив соответствующие вычисления.

Но как же получается, что, глядя "прямо в глаза" чёрной дыре, астрономы обнаруживают поглощение квантов с энергией 3,5 килоэлектронвольт, а наблюдая достаточно далёкий от неё газ ловят излучение в виде этих квантов?

Это явление давно известно специалистам, работающим с оптическими телескопами. Представим себе звезду, заслонённую от нас облаком газа. Газ поглощает кванты определённой энергии и тут же вновь излучает их. Но это излучение происходит во всех направлениях: обратно к звезде, перпендикулярно линии "звезда – наблюдатель" (лучу зрения, как говорят специалисты), и так далее. Поэтому, глядя прямо на звезду, мы обнаруживаем линию поглощения, так как часть испущенных звездой квантов с этой энергией до нас не дойдёт.

Теперь гордо отвернёмся от звезды и обратим свой взор на ту часть облака, которая находится "сбоку" от неё. Эти атомы газа тоже поглощают излучение звезды и тоже переизлучают его. Но на сей раз самого света звезды мы не видим, он распространяется под большим углом к лучу зрения. Зато видим ту часть поглощённого света, который газ испустит в нашу сторону (он ведь испускает свет во все стороны равномерно). Поэтому при взгляде на эти "боковые" области газа мы увидим линию излучения!

Всё, казалось бы, замечательно. И окрестность сверхмассивной чёрной дыры действительно излучает кванты с энергией 3,5 килоэлектронвольт, равно как и кванты многих других энергий из широкого диапазона. Но, чтобы воспроизвести только что описанную картину, нам требуется предположить, что в облаке горячего газа вокруг галактики присутствует нечто, что поглощает кванты именно этой энергии, а потом переизлучает их. И, как уже говорилось выше, обычное вещество этого сделать просто не в состоянии!

Значит, всё-таки тёмная материя? Конлон и его коллеги считают именно так. Они даже разработали собственную модель этой загадочной субстанции, воспроизводящую такое поведение. Впрочем, вариант ошибки авторы пока не сбрасывают со счетов. Окончательно прояснить вопрос должны последующие исследования.

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о другом явлении, которое может быть следствием "активности" тёмной материи – потоке антиматерии вблизи Земли.

Между тем сами частицы этой субстанции пока не удалось обнаружить. Впрочем, некоторые исследователи видят причину в том, что эти частицы легче, чем ожидается.