Sygnał z centrum galaktyki
Tomonori Totani wraz ze swoim zespołem prześwietlił piętnaście lat danych zebranych przez Kosmiczny Teleskop Promieni Gamma Fermiego. Wykrył halo promieniowania o energii 20 gigaelektronowoltów rozciągające się w kierunku centrum naszej galaktyki. Co w tym takiego niezwykłego? Otóż rozkład i energia tych promieni niemal idealnie pasują do teoretycznych przewidywań dotyczących anihilacji cząstek ciemnej materii. Szczególnie zastanawiający jest ostry szczyt w widmie energii, który pojawia się przy około 20 GeV, podczas gdy poniżej 2 GeV i powyżej 200 GeV sygnał praktycznie zanika. Taki wzorzec od lat pojawiał się w pracach teoretyków modelujących zachowanie pewnej klasy kandydatów na ciemną materię.
Wykryliśmy promienie gamma o energii fotonów 20 gigaelektronowoltów rozciągające się w strukturze przypominającej halo w kierunku centrum galaktyki Drogi Mlecznej. Składowa emisji promieni gamma bardzo dokładnie pasuje do kształtu oczekiwanego od halo ciemnej materii – opisuje Totani
Mowa o tzw. WIMPach, czyli słabo oddziałujących masywnych cząstkach. To jeden z głównych faworytów w wyścigu o miano budulca ciemnej materii. Teoria zakłada, iż są to obiekty znacznie masywniejsze od protonów, które niemal nie reagują ze zwykłą materią – stąd ich niewidzialność. Gdyby jednak dwie takie cząstki zderzyły się, powinny ulec anihilacji, produkując wśród innych cząstek również promienie gamma o określonej charakterystyce. I tu pojawia się sedno odkrycia z Tokio. Zmierzone widmo energii promieni gamma odpowiada przewidywaniom dla WIMPów o masie około 500 razy większej niż proton. Innymi słowy, sygnał z centrum galaktyki wygląda tak, jakbyśmy obserwowali właśnie taki proces anihilacji. Totani zaznacza, że trudno jest wytłumaczyć ten sygnał innymi, znanymi źródłami astrofizycznymi, takimi jak pozostałości po supernowych czy pulsary.
Stulecie poszukiwań. Od Zwicky’ego do dzisiejszych tropów
Historia poszukiwań ciemnej materii sięga lat 30. ubiegłego wieku, kiedy Fritz Zwicky zauważył, że galaktyki w gromadzie Coma poruszają się zbyt szybko jak na ilość widzialnej materii. Od tego momentu astronomowie zbierali pośrednie poszlaki: obserwowali zakrzywienie światła przez niewidzialną masę (soczewkowanie grawitacyjne), nietypowe prędkości rotacji galaktyk spiralnych i sposób, w jaki formują się wielkoskalowe struktury kosmosu.
Czytaj też: Astronomowie ogłosili kryzys w kosmologii. Napięcie Hubble’a nie znika
Wszystkie te obserwacje spójnie wskazywały, że około 85% materii we wszechświecie jest dla nas niewidzialna. Mimo to bezpośrednie “zobaczenie” cząstek tej materii pozostawało marzeniem. Wiele eksperymentów, takich jak te w podziemnych laboratoriach, które miały wykryć rzadkie zderzenia WIMPów z atomami, nie przyniosło jednoznacznego sukcesu. Dlatego ewentualne wykrycie poprzez promienie gamma byłoby rozwiązaniem problemu z zupełnie innej strony.
Dlaczego niezależna weryfikacja jest kluczowa?
Sam autor przyznaje, że konieczne jest teraz niezależne zweryfikowanie tych wyników przez inne zespoły. Inni badacze muszą przeanalizować te same dane, sprawdzić metody obliczeń i wykluczyć wszystkie możliwe, konwencjonalne źródła takiego promieniowania. Kluczowym testem będzie poszukiwanie analogicznego sygnału w innych miejscach, gdzie spodziewamy się dużej koncentracji ciemnej materii, np. w karłowatych galaktykach satelitarnych krążących wokół Drogi Mlecznej. Ich niemal niewidoczny dysk gwiazd otacza potężne halo ciemnej materii, więc ewentualne wykrycie tam podobnego promieniowania byłoby mocnym argumentem. Nawet jeśli ostateczne potwierdzenie może nadejść za kilka lat, to już teraz widać, jak duży potencjał ma to odkrycie. Wykrycie cząstki ciemnej materii otworzyłoby drzwi do całkowicie nowej fizyki, wykraczającej poza obecny Model Standardowy. Byłoby to wydarzenie na miarę odkrycia bozonu Higgsa.