Обнаружение более десяти лет назад космическим гамма-телескопом Ферми избытка высокоэнергетического излучения в центре Млечного Пути убедило некоторых физиков в том, что они видят свидетельство аннигиляции частиц темной материи, но команда под руководством из Калифорнийского университета в Ирвине исключили такую интерпретацию.
Ученые UCI и их коллеги из Политехнического института Вирджинии, государственного университета и других учреждений сообщают, что благодаря анализу данных от Ферми и исчерпывающей серии упражнений по моделированию они смогли определить, что наблюдаемые гамма-лучи не могли быть произведены так называемыми слабовзаимодействующими массивными частицами, которые наиболее популярны в теории, как вещество темной материи.
Устраняя эти частицы, разрушение которых может генерировать энергию до 300 гигаэлектронвольт, они наложили самые строгие ограничения на свойства темной материи.
Галактический центр Млечный Путь
«В течение 40 лет или около того ведущим кандидатом на роль темной материи среди физиков элементарных частиц была тепловая, слабо взаимодействующая и слабомасштабная частица. Такой результат впервые исключает возможность этого кандидата до частиц очень большой массы», - сказал автор Кеворк Абазаджян, профессор физики и астрономии UCI. «Во многих моделях эта частица в 10-1000 раз превышает массу протона, при этом более массивные частицы теоретически менее привлекательны в качестве частицы темной материи», - добавил соавтор Манодж Каплингхат, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета, - «В статье мы исключаем кандидатов на темную материю в большом диапазоне».
Абазаджян сказал, что сигналы темной материи могут быть вытеснены другими астрофизическими явлениями в Галактическом центре, такими как звездообразование, отклонение космических лучей от молекулярного газа и, в первую очередь, нейтронными звездами и миллисекундными пульсарами - как источниками избыточного гамма-излучения, обнаруживаемые системой Ферми.
Ферми-гамма-излучение с избытком высокой энергии
«Мы изучили все различные модели, которые происходят в Галактическом центре, включая молекулярный газ, звездные излучения и электроны высокой энергии, которые рассеивают фотоны низкой энергии», - сказал соавтор Оскар Масиас, научный сотрудник по физике и астрономии в Институте физики и математики Вселенной им. Кавли при Токийском университете, чей визит в UCI в 2017 году инициировал этот проект, - «Нам потребовалось более трех лет, чтобы собрать все эти новые, более совершенные модели и изучить выбросы, и мы обнаружили, что для темной материи остается мало места».
Масиас, который также является научным сотрудником Центра GRAPPA при Амстердамском университете, добавил, что этот результат был бы невозможен без данных и программного обеспечения, предоставленных коллаборацией Fermi Large Area Telescope.
Группа проверила все классы моделей, используемых в районе Центра Галактики, для анализа избыточных выбросов, и ее выводы остались неизменными. «Придется создать модель диффузных выбросов, которая оставит в них большую «дыру», чтобы ослабить наши ограничения, а наука так не работает», - сказал Масиас.
Каплингхат отметил предсказание физиков об излучении от аннигиляции темной материи, которое будет представлено в аккуратной сферической или эллиптической форме, исходящей из Галактического центра, но избыток гамма-излучения, обнаруженный космическим телескопом Ферми после его развертывания в июне 2008 года, проявляется как трехосная, стержневидная структура.
«Если вы посмотрите на Галактический Центр, вы увидите, что звезды распределены квадратным образом», - сказал он, - «Есть звездный диск, и прямо в центре есть выпуклость около 10 градусов, и на самом деле это очень специфическая форма - что-то вроде асимметричной коробки - и она оставляет очень мало места для дополнительной темной материи».
Исключает ли это исследование существование темной материи в галактике?
«Нет», - сказал Каплингхат, - «Наше исследование определяет тип частицы, которая может быть темной материей. Множественные доказательства существования темной материи в галактике надежны и не затронуты нашей работой».
Абазаджян далек от того, чтобы считать результаты группы обескураживающими, но сказал, что им следует побудить физиков сосредоточиться на концепциях, отличных от самых популярных.
«Есть много альтернативных кандидатов на темную материю», - сказал он, - «Поиск будет больше похож на рыболовную экспедицию, когда вы еще не знаете, где находится рыба».