Изображение неба в гамма-лучах, полученное за три года наблюдения телескопом Ферми. (Фото: NASA/Ферми)
Are hints of dark matter lurking in Fermi's view of the sky?
Гамма-лучи намекают на темную материю
Используя новый метод статистического анализа общедоступных данных космического телескопа Ферми НАСА, астрофизик из Германии говорит, что он, возможно, заметил сигнальные знаки экзотических частиц, аннигилирующих в Млечном Пути. Если так, то эта «гамма-линия» будет, по образному утверждению, как дымок после выстрела из пушки сигнализировать о существовании пушки, то бишь, темной материи.
Существует большой объем косвенных наблюдений, свидетельствующих о том, что невидимое вещество составляет около 80% материи Вселенной. Хотя физики могут измерять воздействие, которое эта темная материя оказывает на видимую вселенную, они имеют очень слабое представление о том, что это таинственное вещество на самом деле собой представляет. Как искать прямые доказательства темной материи, детектируя ее или даже производя ее здесь, на Земле? Для этого исследователи пытаются обнаружить сигнальные частицы с небес, частицы, которые рождаются при аннигиляции темной материи. Избыток высокоэнергетических позитронов (анти-электронов) наблюдал итальянский космический аппарат ПАМЕЛА в 2008 году и это подтвердил Ферми в прошлом году, что могло бы стать таким сигналом. Тем не менее, вполне возможно, что эти позитроны образуются в процессах и не связанных с темной материей.
Напротив, астрофизики говорят, что гамма-линия оставляет мало возможностей для альтернативных объяснений. Считается, что частицы темной материи существуют в гало, окружающем нашу галактику; они медленно движутся, потому что замедлились, когда вселенная расширялась. В результате суммарная энергия фотонов, возникающих в результате столкновения и аннигиляции двух таких частиц, по сути, равна удвоенной массе покоя частицы темной материи. Сохранение импульса требует, чтобы энергия каждого фотона равнялась массе одной частицы темной материи - и будет выглядеть как очень узкий пик, или линия, в гамма-спектре. Это не похоже на излучение всех стандартных астрофизических объектов, которые имеют гораздо более широкое распределение энергии.
Что-то при 130 ГэВ?
В недавней работе, Кристоф Венигер (Christoph Weniger) из Института физики Макса Планка в Мюнхене искал такие линии в результатах гамма-наблюдений за примерно 3,5 года, проведенных на телескопе Ферми совместно с телескопом большой площади (Large Area Telescope - LAT). Чтобы увеличить свои шансы на успех, он рассматривал только данные из таких областей Млечного Пути, которые должны генерировать гораздо больше фотонов от темной материи, чем фотонов от фона - согласно пяти различным моделям распределения темной материи в галактическом гало. Он также ограничил данные в полосе энергий 20-300 ГэВ.
В районах, близких к центру Галактики, Венигер обнаружил, что гамма-лучи, собранные Ферми свидетельствуют о линии около 130 ГэВ, при статистической значимости 4,6σ, которая упала до 3,3σ после учета того факта, что он искал такую линию в конечной области пространства и ограниченном диапазоне энергий. Иными словами, имеется всего 1 шанс из 1000, что линия вызвана статистической флуктуацией.
Большинство моделей темной материи предсказывают, что эта линия должна быть очень слабой, потому что темная материя не взаимодействует непосредственно с электромагнитным излучением. Фотоны производятся при аннигиляции промежуточных пар частиц, таких как электроны и позитроны, но такая вторичная аннигиляция, как правило, считается невероятной, потому что частицы очень высоких энергий, почти наверняка разлетятся, прежде чем они имеют шанс объединиться. Есть несколько моделей, однако, в которых шанс такой аннигиляции довольно велик - одна из таких моделей, например, позволяет создавать виртуальные пары частиц и античастиц, которые не могут разлететься. «Если это сигнал от темной материи, то это будет означать справедливость модели, в которой линия удивительно сильная», говорит Венигер. «Это позволит нам значительно сократить число возможных моделей».
Венигер признает, что его гамма-линия является предварительной, указывая, что она состоит из данных от всего около 50 фотонов, и, что для достижения уровня примерно 5σ, необходимого, чтобы претендовать на открытие, скорее всего, нужны данные за еще несколько лет. Он также отмечает, что, поскольку его анализ основан только на публично доступных данных, он не знает всего о возможных инструментальных ошибок.
Фальшивые гамма-линии
На самом деле, согласно Элиота Блума (Elliott Bloom) из Стэнфордского университета в США и Яна Конрада (Jan Conrad) из Стокгольмского университета в Швеции, оба члены колаборации Ферми LAT, инструментальные ошибки, связанные с выявлением фотонов на фоне заряженных частиц и просеиванием этих фотонов в зависимости от их энергии создают фальшивые гамма-линии, и преодоление этих проблем «по-прежнему требует значительных дополнительных работ», говорят они.
Если гамма-линия Венигера является реальностью, но оказывается значительно расширенной, то это может быть вызвано более традиционными астрофизическими процессами. Одним из потенциальных кандидатов, который был выявлен только в 2010 году с использованием данных Ферми, представляет собой пару огромных гамма-излучающих "пузырей", расширяющихся наружу от плоскости Млечного Пути. Поскольку энергия фотона в пузырьках может иметь резкое отсечение на уровне около 130 ГэВ, он предполагает, что механизм, ответственный за пузыри мог бы также создавать линию Венигера. С другой стороны, по его словам, темная материя может привести к отсечения того, что наблюдаемо в этих пузырях.
Джон Вефель (John Wefel), астрофизик из Университета штата Луизиана в США, отмечает другую соблазнительную возможность, а именно то, что пик при 125 ГэВ видели в данных Большого адронного коллайдера (LHC) в ЦЕРН, в прошлом году, и который считается автографом бозона Хиггса, на самом деле может быть связан с линией, определенной Венигером. «Есть ли у нас ореол из бозонов Хиггса вокруг галактического центра, или LHC наблюдает новые частицы, вероятно, частицы темной материи, а не бозоны Хиггса вовсе?» спрашивает лукаво Венигер.
ENGLISH VERSION
НА ГЛАВНУЮ
