|
Новая форма темной материи раскроет многие загадки
|
|
|
|
Астрономы уже давно озадачены двумя странными явлениями в сердце нашей галактики. Во-первых, газ в центральной молекулярной зоне (CMZ), плотной и хаотичной области вблизи ядра Млечного Пути, по-видимому, ионизируется (то есть электрически заряжается из-за потери электронов) с удивительно высокой скоростью. Во-вторых, телескопы зафиксировали таинственное свечение гамма-лучей с энергией 511 килоэлектронвольт (кэВ) (что соответствует энергии покоящегося электрона).
|
|
|
|
Интересно, что такие гамма-лучи образуются, когда электрон и его аналог из антивещества (все фундаментальные заряженные частицы имеют почти идентичные версии антивещества, но с противоположным зарядом), позитрон, сталкиваются и аннигилируют во вспышке света.
|
|
|
|
Причины обоих эффектов остаются неясными, несмотря на десятилетия наблюдений. Но в новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, мы показываем, что оба они могут быть связаны с одним из самых неуловимых компонентов во Вселенной - темной материей. В частности, мы предполагаем, что виновником может быть новая форма темной материи, менее массивная, чем те, которые обычно ищут астрономы.
|
|
|
|
Скрытый процесс
|
|
|
|
Зона CMZ простирается почти на 700 световых лет и содержит один из самых плотных молекулярных газов в галактике. За прошедшие годы ученые обнаружили, что эта область необычайно ионизирована, а это означает, что молекулы водорода расщепляются на заряженные частицы (электроны и ядра) гораздо быстрее, чем ожидалось.
|
|
|
|
|
|
|
Это может быть результатом воздействия таких источников, как космические лучи и свет звезд, которые бомбардируют газ. Однако сами по себе они, по-видимому, не в состоянии объяснить наблюдаемые уровни.
|
|
|
|
Другая загадка, излучение с энергией 511 кэВ, была впервые обнаружена в 1970-х годах, но до сих пор не имеет четко определенного источника. Было предложено несколько вариантов, включая сверхновые, массивные звезды, черные дыры и нейтронные звезды. Однако ни одна из них не объясняет полностью характер или интенсивность излучения.
|
|
|
|
Мы задали простой вопрос: могут ли оба явления быть вызваны одним и тем же скрытым процессом?
|
|
|
|
Темная материя составляет около 85% вещества во Вселенной, но она не излучает и не поглощает свет. Хотя его гравитационные эффекты очевидны, ученые пока не знают, из чего он сделан.
|
|
|
|
Одна из возможностей, которую часто упускают из виду, заключается в том, что частицы темной материи могут быть очень легкими, с массой всего в несколько миллионов электронвольт, намного легче протона, и все же играть важную космическую роль. Эти легкие частицы-кандидаты в темную материю обычно называются частицами темной материи с энергией ниже ГэВ (гигаэлектронвольт).
|
|
|
|
Такие частицы темной материи могут взаимодействовать со своими античастицами. В нашей работе мы изучали, что произойдет, если эти легкие частицы темной материи вступят в контакт со своими собственными античастицами в центре галактики и аннигилируют друг с другом, образуя электроны и позитроны.
|
|
|
|
В плотном газе CMZ эти низкоэнергетические частицы быстро теряли бы энергию и очень эффективно ионизировали окружающие молекулы водорода, отбивая у них электроны. Поскольку область очень плотная, частицы не могли бы улететь далеко. Вместо этого они накапливали бы большую часть своей энергии локально, что вполне соответствует наблюдаемому профилю ионизации.
|
|
|
|
Используя подробное моделирование, мы обнаружили, что этот простой процесс, когда частицы темной материи аннигилируют на электроны и позитроны, может естественным образом объяснить скорости ионизации, наблюдаемые в CMZ.
|
|
|
|
Более того, необходимые свойства темной материи, такие как ее масса и сила взаимодействия, не противоречат никаким известным ограничениям ранней Вселенной. Темная материя такого рода, по-видимому, является серьезным выбором.
|
|
|
|
Загадка позитрона
|
|
|
|
Если темная материя создает позитроны в КМЗ, то эти частицы в конечном итоге замедляются и в конечном итоге аннигилируют с электронами в окружающей среде, производя гамма-лучи с энергией ровно 511 кэВ. Это могло бы обеспечить прямую связь между ионизацией и таинственным свечением.
|
|
|
|
Мы обнаружили, что, хотя темная материя может объяснить ионизацию, она также может быть способна воспроизводить некоторое количество излучения с энергией 511 кэВ. Это поразительное открытие позволяет предположить, что два сигнала потенциально могут исходить от одного и того же источника - легкой и темной материи.
|
|
|
|
Точная яркость линии с энергией 511 кэВ зависит от нескольких факторов, в том числе от того, насколько эффективно позитроны образуют связанные состояния с электронами и где именно они аннигилируют. Эти детали все еще остаются неопределенными.
|
|
Новый способ проверить невидимые
|
|
|
|
Независимо от того, имеют ли излучение с энергией 511 кэВ и ионизацию CMZ общий источник, скорость ионизации в CMZ становится новым ценным наблюдением для изучения темной материи. В частности, это дает возможность протестировать модели, включающие легкие частицы темной материи, которые трудно обнаружить с помощью традиционных лабораторных экспериментов.
|
|
|
|
В нашем исследовании мы показали, что предсказанный профиль ионизации темной материи удивительно ровный по всей КМЗ. Это важно, поскольку наблюдаемая ионизация действительно распределена относительно равномерно.
|
|
|
|
Точечные источники, такие как черная дыра в центре галактики, или источники космических лучей, такие как сверхновые (взрывающиеся звезды), не могут легко объяснить это. Но равномерно распределенное гало из темной материи может.
|
|
|
|
Наши результаты показывают, что центр Млечного Пути может дать новые сведения о фундаментальной природе темной материи.
|
|
|
|
Будущие телескопы с лучшим разрешением смогут предоставить больше информации о пространственном распределении и взаимосвязи между линией 511 кэВ и скоростью ионизации CMZ. Тем временем, продолжение наблюдений за CMZ может помочь исключить — или усилить — теорию темной материи.
|
|
|
|
В любом случае, эти странные сигналы из сердца галактики напоминают нам о том, что Вселенная все еще полна сюрпризов. Иногда, если заглянуть внутрь, в динамичный, сияющий центр нашей собственной галактики, можно обнаружить самые неожиданные намеки на то, что находится за ее пределами.
|
|
|
|
Источник
|
