Космический гамма-телескоп расширяет зону охоты за тёмной материей

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.