Lähes 15 vuotta sitten gamma-säteilyn havainnot antoivat aiheen olettaa, että galaksimme keskustassa on hajoavaa pimeää ainetta. Uudet tiedot ovat herättäneet uudelleen keskustelun tämän eksoottisen aineen olemassaolon todistusvoimasta, jota moderni kosmologia postuloivat.
Saga pimeästä aineesta. Tällä hetkellä tapahtumissa on uusia käänteitä. On esitetty oletuksia siitä, voiko se olla värillistä , ja lopulta julkaisu tunnetussa Physical Review Letters -lehdessä nostaa jälleen esiin kysymyksen, joka on noussut esiin gamma-astronomian alalla jo yli vuosikymmenen ajan tehdyissä havainnoissa.
Tämä julkaisu on myös saatavilla avoimesti. Sen on kirjoittanut ryhmä astrofyysikoita ja kosmologeja, mukaan lukien kuuluisa kosmologi Joseph Silk (tunnetaan suosituista teoksistaan suuresta alkuräjähdyksestä, aineesta ja pimeästä energiasta), fysiikan ja astronomian professori Johns Hopkinsin yliopistossa ja tutkija astrofysiikan instituutissa, joka tunsi hyvin edesmenneen Richard Tayen .
Tämä on mahdollinen uudelleen tulkinta havainnoista, jotka on tehty NASA:n Fermilaboratorion avaruusgammateeleskoopilla käyttäen uusia numeerisia malleja, jotka perustuvat toisen avaruusteleskoopin havaintoihin, ja EAK:n havaintoihin, koska se on tulosta Gaia-missiosta, joka on havainnoinut Linnunrataa.
Miksi tarvitsemme pimeää ainetta?
Emme vieläkään pysty saavuttamaan riittävän nopeaa syntymää avaruudessa havaittavissa olevissa galakseissa ilman pimeää ainetta, ja sen muodostavat hiukkaset ovat myös olennainen osa niiden muodostamia säikeitä, jotka puristuvat gravitaation vaikutuksesta, mikä johtaa galaksien kasvuun (kuten kosmologi Romain Teissier selitti Futura-haastattelussa ). Havainnot fossiilisesta säteilystä ovat myös tällä hetkellä käsittämättömiä ilman pimeää ainetta.
Mutta kuten nimestäkin käy ilmi, pimeän aineen hiukkaset eivät säteile valoa, tai ainakin hyvin vähän, mikä tarkoittaa, että niiden on oltava neutraaleja tai erittäin heikosti varautuneita . Tiedämme, että tämä materia ei voi koostua kokonaan, edes etäisesti, standardin mallin mukaisista hiukkasista korkean energian fysiikassa, koska se olisi ristiriidassa laskelmien ja havaintojen kanssa, jotka koskevat primääristä nukleosynteesiä, joka varmistaa vedyn, helin ja niiden isotooppien ytimien yleisyyttä suuren alkuräjähdyksen lopussa. Hyvin pieni osa pimeästä aineesta on kuitenkin neutriinon muodossa standardin mallissa , ja voidaan mainita se tosiasia, että osa protonista alkuräjähdyksessä on myös piilotettu aineen säikeisiin, jotka yhdistävät galaksit ja galaksijoukot.
Mutta miten voimme osoittaa näiden pimeän aineen hiukkasten olemassaolon havaittavassa avaruudessa, jos ne eivät säteile tai säteilevät hyvin vähän?
Voisi ajatella, että pimeä aine antaa merkkejä itsestään vain gravitaatiovoiman kautta, joka on tärkeämpää kuin massat baryonien muodossa, koska sen osuus galaksien ja galaksijoukkojen massasta on suurempi. Mutta muutamat teoreettiset mallit näistä hiukkasista eksoottinen, joita ei ole koskaan aiemmin havaittu kiihdyttimissä tai syvällä maassa sijaitsevissa ilmaisimissa, osoittavat, että ne voivat kuitenkin olla välillisesti vastuussa lähetyksistä säteilyä.
Gammaphotonit, jotka syntyvät pimeän aineen annihiloituessa
Tässä tapauksessa kyse on fotoneista, jotka voisivat syntyä hiukkasten ja antihiukkasten parien annihiloituessa. Pimeä aine. Tämä idea on vanha, koska se muotoiltiin ensimmäisen kerran 1970-luvun lopulla .
Itse asiassa olemme vuosien ajan pohtineet gammamutaatioiden ylimääräisyyttä, joita Fermilaboratorion avaruusgammateeleskooppi havaitsee Linnunradan keskustassa ja Andromedan galaksissa.
Pimeän aineen mallit ennustavat yleensä sen kertymistä galaksien keskustaan. Pimeän aineen tiheys on siellä suurempi kuin pallomaisessa halossa, jonka oletetaan ympäröivän galakseja ja selittävän liikkeet tähtien ja kaasun galaksien reunoilla (voimme yrittää tulla toimeen ilman pimeää ainetta muokkaamalla Newtonin taivaankappaleiden mekaniikan lakeja Mondin avulla, mutta se ei poista ongelmia) pimeän aineen hiukkasten törmäykset, jotka voivat johtaa niiden tuhoutumiseen, ovat yleisempiä, ja siksi näiden törmäysten tuottama säteily on mahdollisesti voimakkaampaa.
Vuonna 2015 teknillisen instituutin fysiikan tiimi esitti kuitenkin huolestuttavan argumentin tätä selitystä vastaan, joka koski Fermien havaitsemaa ylimääräistä gammasäteilyä Linnunradan keskustassa.
Jatkuva vai diskreetin gamma-säteily?
Pohdinta oli seuraava. Tiedämme, että supernovien räjähdykset ja neutronitähdet, jotka voidaan havaita pulsareina, ovat tärkeitä gamma-säteilyn lähteitä. Meidän on vaikea havaita näiden lähteiden esiintymistä Linnunradan keskustassa, koska kaasun ja pölyn pilvet, jotka sijaitsevat meidän ja galaksin sydämen välissä, absorboivat osan eri säteilystä, jota siellä olevat tähdet tuottavat. Siksi voidaan olettaa, että ylimääräinen gammasäteily, jota havaitaan Linnunradan keskustassa, on vain seurausta suuresta pulsareiden populaatiosta, jonka olemassaoloa ei ole aiemmin todettu.
Yrittääkseen erottaa toisistaan nämä kaksi hypoteesia – pimeän aineen hiukkaset ja pulsarit – astrofyysikot rakensivat mallin Fermien havaintojen tulkitsemiseksi. Yksinkertaisesti sanottuna, jos gammasäteily on merkki pimeän aineen jakautumisesta, riittävän tarkka kartta näistä säteilyistä pitäisi osoittaa, että ne muuttuvat melko tasaisesti ja jatkuvasti.
Sitä vastoin, kun säteilyn mittakaavaa suurennetaan, pulsareiden populaatio pitäisi tuottaa kartan, jossa on klustereita, joista kukin liittyy pulsariin. Vuonna 2015 tutkijat käyttivät malliaan Ferminin signaalien analysointiin ja tulivat siihen tulokseen, että pulsareiden hypoteesi on perusteltu.
Mutta sitten ilmestyivät Joseph Silkin ja hänen kollegoidensa uudet tutkimukset.
Gaia opetti meille, että Linnunradan historia on ollut täynnä myrskyisiä tapahtumia, kuten törmäyksiä pieniin kääpiögalakseihin, jotka se on niellyt. Siksi ei pidä odottaa niin tasaista pimeän aineen keskittymistä galaksin pallomaisessa keskiosassa kuin alun perin ennustettiin. Ottaen huomioon Gaian toimittamat tiedot, tutkijat käyttivät supertietokoneiden mallinnusta ennustaakseen tarkemmin pimeän aineen jakautumisen galaksimme keskustassa.
Olettaen, että tämä aine voidaan kuvata hyvin teorioilla, jotka myös ennakoivat sen mahdollisuutta tuottaa epäsuorasti gammasäteilyä, päädymme siihen johtopäätökseen, että pulsar-hypoteesi voi lopulta selittää Ferm-teleskoopin havainnot yhtä hyvin kuin pimeän aineen hypoteesi.
Itse asiassa menemme vielä pidemmälle. Seuraavat gamma-astronomian havainnot, jotka pian tulevat mahdollisiksi Cherenkov-teleskooppien , voivat olla ratkaiseva tekijä kahden hypoteesin välillä. CTAO:n on tarkoitus tuottaa taivaan kuvia, joiden herkkyys ja resoluutio on kymmenkertainen nykyisiin observatorioihin verrattuna.
