Темная материя может состоять из нескольких видов новых частиц
Последний анализ выбросов рентгеновских и гамма-лучей из центра галактик Млечный Путь, Андромеды и скопления галактик Персея выявил существенные проявления двух возможных частиц темной материи. Одна из них, вероятнее всего, стерильное нейтрино 7,1 кэВ, а другая — WIMP (вимп, слабо взаимодействующая массивная частица) 35 ГэВ.
Понятие темной материи было предложено в 1932 году Яном Оортом, чтобы объяснить аномальную орбитальную скорость звезд в нашей галактике, и Фрицем Цвикки в 1933-м, который независимо от Оорта пытался объяснить аномальную орбитальную скорость галактик в скоплениях. Орбитальные скорости слишком велики, чтобы их можно было объяснить видимой массой, поэтому ученые предположили, что существует источник дополнительной массы и гравитации — пресловутая темная материя.
С уверенностью, близкой к абсолютной, астрофизики знают по данным наблюдений, что во вселенной в шесть раз больше темной материи, чем «обычной», или бозонной, материи. Темная материя взаимодействует только сама с собой и с обычной материей через гравитацию. Также темная материя способна образовывать регионы концентрации, которые определяют образование галактик, галактических скоплений (кластеров) и крупномасштабных нитевидных структур, обнаруженных во Вселенной. К сожалению, этой информации недостаточно, чтобы объяснить природу темной материи.
Стерильное нейтрино на 7 кэВ?
Две независимых исследовательских группы использовали различные данные, предоставленные обсерваториями XMM-Newton и «Чандра», чтобы обнаружить и независимо подтвердить новый выброс рентгеновского излучения, связанного с галактиками, с энергией чуть более 3,5 кэВ.
Группа NASA и Гарвард-Смитсона во главе с Эзрой Бульбулем взяла за основу исследования данные о рентгеновском излучении, собранном камерами MOS-CCD и PN-CCD в XMM-Newton. Эти камеры могут различать рентгеновские энергии от 0,15 до 15 кэВ и обеспечивают угловое разрешение в примерно 6 угловых секунд. Ученые собрали наблюдаемые сигналы в 73 ярких и относительно близких галактических скоплениях (до которых меньше 1,2 гигапарсека), масштабируя длины волн для коррекции космологического красного смещения. Рентгеновский фон известных источников также был учтен и убран из анализа.
Данные обеих камер показали необъяснимые линии излучения с энергией около 3,55 кэВ. Ни одну из них нельзя связать с традиционной физикой, проявляющей себя при такой энергии. После этого ученые провели схожий анализ кластеров Персея и Девы на обсерватории «Чандра». Неизвестная линия проявилась с такой же энергией и силой.
Второе исследование было проведено во главе с А. Боярским из Лейденского университета. Он использовал данные рентгеновских лучей в обсерватории XMM-Newton, собранные в рамках анализа скоплений Персея и галактики Андромеды. Никак не связанные между собой группы, тем не менее пришли к одним и тем же результатам. Их выводы были практически идентичны: необъяснимая линия излучения с энергией 3,52 кэВ.
Энергия и место нахождения сигнала согласуется с распадом формы темной материи — 7,1 кэВ стерильного нейтрино, которое превращается в фотон и обычное нейтрино. Фотон получает почти точно половину энергии исходной частицы из-за крошечной массы обычного нейтрино.
Стерильные нейтрино — это нейтрино, не включенные в Стандартную модель физических частиц и не подвергающиеся слабым взаимодействиям — они не взаимодействуют c W- и Z-бозонами, которые являются носителями слабого взаимодействия. Есть много причин, которые позволяют рассматривать стерильные нейтрино в качестве возможных членов «зоопарка» частиц. В частности, простейшие, хорошо работающие модели, которые гласят о том, что обычные нейтрино с их массой требуют существования по меньшей мере двух стерильных нейтрино.
Отсутствие взаимодействия у стерильных нейтрино делает крайне сложным их создание. Чтобы возникнуть в юной Вселенной, стерильные нейтрино должны были слегка смешаться с обычными нейтрино при помощи нейтринных осцилляций, поэтому активные нейтрино, созданные в процессе охлаждения Вселенной после Большого Взрыва, могут частично конвертироваться в стерильное разнообразие. Тот же самый процесс, только наоборот, происходит при распаде стерильных нейтрино под действием нейтринных осцилляций.
Вимп на 35 ГэВ
Последнее исследование выбросов гамма-лучей из центральных областей Млечного Пути, проведенное астрофизиками Гарварда, Чикагского университета, MIT, Лаборатории Ферми и Принстона, позволило глубже заглянуть в данные космической обсерватории Ферми. В результате было обнаружено убедительное доказательство проявлений темной материи в форме вимпов.
Ученые выяснили, что после учета известных источников гамма-излучения остаются дополнительные источники ГэВ-гамма-лучей, подлежащих анализу. Наличие такого избытка, как утверждается, имеет статистическую вероятность в 40 сигма (5 сигма, как правило, считается экспериментальным доказательством в физике элементарных частиц).
Сигнал впервые был зарегистрирован в 2009 году и по-разному интерпретировался: как синхротронное излучение, миллисекундные пульсары и аннигиляция, либо распад темной материи.
Последнее исследование показало, что избыток гамма-лучей грубо сферически симметричен и расположен в центре сверхмассивной черной дыры Стрельца А*. Исследование заключило, что лучшей на текущей момент интерпретацией будет свидетельство аннигиляции вимпов 35 ГэВ нижней пары кварк-антикварк, которые сами по себе в конечном счете распадаются на компоненты, в том числе и на гамма-лучи с энергией в несколько ГэВ.
Даже несмотря на то, что исследование, описанное выше, выдвигает предположение об аннигиляции вимпа темной материи в 35 ГэВ, само по себе это недостаточно убедительное доказательство. Лучшим доказательством было бы обнаружение такого сигнала в карликовых галактиках, в которых полно темной материи.
Но и без этого поиск, который был проведен коллаборацией Fermi-Large Area Telescope, охватывал все 25 известных карликовых сфероидных галактик, которые окружают Млечный Путь. Хотя результаты этого исследования формально отрицательны, статистическая вероятность колеблется в пределах 2,5 сигма, этот избыток может намекать на то, что карликовые галактики излучают такой же избыток гамма-лучей, как и галактика Млечный Путь. Наблюдения с повышенной чувствительностью смогут прояснить этот вопрос в ближайшие годы. Признаки существования частиц темной материи становятся существеннее. На сегодняшний день «дымящегося пистолета», то есть конкретных доказательств пока нет, но вполне вероятно, что темная материя может состоять из нескольких видов новых частиц, в соответствии с предположением Гарвардского физика Лайзы Рендалл. От этого темная материя не становится менее увлекательным и сложным понятием.
