Od lat astronomowie widzą w danych z teleskopu Fermi-LAT nadwyżkę promieniowania gamma dochodzącą z obszaru wokół centrum Drogi Mlecznej. Taka bańka wysokoenergetycznych fotonów może być śladem anihilacji cząstek ciemnej materii – gdy dwie cząstki zderzają się, znikają i zamieniają w promieniowanie.
Problem w tym, że podobnego sygnału nie widać w innych miejscach, gdzie ciemnej materii powinno być dużo, a tło astrofizyczne jest znacznie czystsze – w galaktykach karłowatych otaczających Drogę Mleczną. W klasycznych scenariuszach cząsteczkowych to poważny zgrzyt: jeśli ciemna materia daje wyraźny ślad w centrum Galaktyki, to powinna też emitować promieniowanie gamma w galaktykach karłowatych, a tam panuje uparta cisza.
Dlaczego galaktyki karłowate są takie ważne?
Galaktyki karłowate (a zwłaszcza tzw. karłowate galaktyki sferoidalne, dSph) to małe, bardzo słabo świecące układy gwiazdowe, w których dominuje masa ciemnej materii. Mają mało gwiazd i gazu, więc są dużo czystsze radiowo i gamma niż rozświetlone centrum Drogi Mlecznej – idealne laboratoria do szukania subtelnych sygnałów z ciemnej materii.
Standardowe modele zakładają zwykle, że prawdopodobieństwo anihilacji cząstek ciemnej materii jest albo w przybliżeniu stałe, albo zależy głównie od ich prędkości. Jeśli jest stałe, silny sygnał w Drodze Mlecznej powinien oznaczać podobny w karłowatych galaktykach sferoidalnych; jeśli bardzo zależy od prędkości, sygnał będzie słaby wszędzie – także w centrum Galaktyki. Brak emisji gamma z galaktyk karłowatych utrudnia więc interpretację nadwyżki z Fermi jako śladu ciemnej materii, a nie np. populacji pulsarów.
Ciemna materia „dSph‑fobiczna”: dwa składniki zamiast jednego
Nowa praca Ashera Berlina, Joshuy Fostera, Dana Hoopera i Gordana Krnjaića, opisana w Journal of Cosmology and Astroparticle Physics pod tytułem dSph‑obic dark matter, wprowadza własny neologizm: ciemną materię unikającą karłowatych galaktyk sferoidalnych (dwarf spheroidal galaxies, dSph). Zamiast jednej cząstki ciemnej materii autorzy rozważają dwuskładnikowy model, w którym ciemna materia istnieje w dwóch stanach o nieco różnych masach.
W tym obrazie anihilacja, która produkuje promieniowanie gamma, zachodzi głównie wtedy, gdy oba typy cząstek (lub dwa stany) spotkają się ze sobą – jest to tzw. koanihilacja. W halo Drogi Mlecznej cząstki lżejsze mogą zderzeniowo podskakiwać do cięższego stanu, a oba składniki są obecne w porównywalnych ilościach, więc koanihilacje zachodzą często i generują wyraźny sygnał gamma.
W galaktykach karłowatych sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Typowe prędkości cząstek są tam dużo mniejsze, więc brakuje energii, by wzbudzić lekką cząstkę do cięższego stanu – praktycznie nie produkujemy więc par koanihilujących. Nawet jeśli całkowita gęstość ciemnej materii jest podobna, układ ma zaburzony stosunek populacji obu stanów, co dramatycznie zmniejsza częstość zderzeń odpowiedzialnych za promieniowanie gamma.
Co zmienia taki model?
Najważniejsza konsekwencja jest dość przewrotna: brak sygnału gamma z galaktyk karłowatych nie musi obalać hipotezy o ciemnej materii jako źródle nadwyżki w centrum naszej Galaktyki. W dwuskładnikowym scenariuszu inne środowiska kosmiczne mogą po prostu mieć inny przepis na mieszankę dwóch typów cząstek, co przekłada się na bardzo różne przewidywane jasności gamma.
Model dSph‑fobiczny zrywa więc prostą, jednoznaczną relację między sygnałem z Drogi Mlecznej a sygnałem z galaktyk karłowatych, która obowiązuje w prostszych teoriach. Z jednej strony daje to więcej swobody w dopasowaniu się do danych, z drugiej – komplikuje interpretację obecnych i przyszłych wyników eksperymentów poszukujących sygnałów anihilacji ciemnej materii.
Jak można to sprawdzić w obserwacjach?
Autorzy podkreślają, że kluczowe będą dalsze obserwacje gamma – zarówno centrum Galaktyki, jak i populacji galaktyk karłowatych – prowadzone m.in. przez teleskop Fermi. Lepsze dane z karłowatych galaktyk sferoidalnych pozwolą sprawdzić, czy w którejkolwiek z nich pojawia się choćby słaby sygnał, zgodny z inną proporcją dwóch komponentów ciemnej materii niż w pozostałych galaktykach.
Równolegle inne eksperymenty – od badań krzywych rotacji galaktyk po mapy soczewkowania grawitacyjnego i wyniki dużych przeglądów, takich jak Dark Energy Survey – wciąż będą zawężać przestrzeń możliwych własności ciemnej materii jako dominującego składnika masy we Wszechświecie. Nowy model nie rozwiązuje wszystkich zagadek, ale przypomina, że czasem brak sygnału bywa równie informacyjny jak jego obecność – jeśli tylko dobrze rozumiemy kontekst, w którym obserwujemy kosmos.
Źródła
Główne źródło:
- Asher Berlin, Joshua W. Foster, Dan Hooper, Gordan Krnjaic, „dSph‑obic dark matter”, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP)
Źródła kontekstowe:
- Phys.org – „What if dark matter came in two states?” (omówienie pracy i roli galaktyk karłowatych),
- EurekAlert! – komunikat „What if dark matter came in two states?” przygotowany przez Sissa Medialab,
- ScienceDaily – „Scientists think dark matter might come in two forms” (popularne streszczenie wyników),
- Dark Energy Survey / NOIRLab – materiały o rekonstrukcji rozkładu materii we Wszechświecie z wykorzystaniem słabego soczewkowania i klastrów galaktyk,
- Nature i inne przeglądy dotyczące ciemnej materii jako głównego składnika masy we Wszechświecie.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
