Швейцарский астроном Фриц Цвикки в начале 1930-х годов заметил, что галактики в скоплениях движутся слишком быстро для той массы, которую можно наблюдать. Он предположил существование невидимого каркаса — темной материи, удерживающей галактики от распада. С тех пор ученые могли наблюдать темную материю только косвенно, через ее гравитационное влияние на обычное вещество. Темная материя не взаимодействует с электромагнитными силами, поэтому не поглощает, не отражает и не испускает свет.
Астрономы считают, что телескоп Fermi впервые видит темную материю
Профессор Томонори Тотани из Токийского университета обнаружил гамма-излучение с энергией 20 гигаэлектронвольт, исходящее из центра Млечного Пути. Спектр излучения точно соответствует теоретическим предсказаниям аннигиляции частиц темной материи — вимпов. Если результат подтвердится, это станет первым прямым наблюдением темной материи за почти сто лет поисков.
Фрагмент карты интенсивности гамма-излучения, исключающая компоненты, отличные от гало, охватывающая примерно 100 градусов в направлении центра Галактики. Горизонтальная серая полоса в центральной области соответствует области галактической плоскости, которая была исключена из анализа, чтобы избежать сильного астрофизического излучения. Tomonori Totani, The University of Tokyo
Что такое вимпы и почему их так трудно обнаружить. Слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы) — ведущие кандидаты на роль темной материи. Их масса может превышать массу протона в сотни раз, но они практически не взаимодействуют с обычным веществом, проходя сквозь него как призраки. На графике, полученном астрономами, красные и синие линии энергетического спектра представляют ожидаемое гамма-излучение при аннигиляции вимпов с образованием пары нижних кварков или пары W-бозонов — известных элементарных частиц стандартной модели. Данные телескопа Fermi хорошо согласуются с этими предсказаниями, что делает открытие особенно убедительным.
Многие исследователи полагают, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц — вимпов, которые тяжелее протонов, но почти не взаимодействуют с видимым веществом. Теория предсказывает: когда два вимпа сталкиваются, они аннигилируют, высвобождая фотоны гамма-излучения. Годами астрономы искали эти специфические гамма-лучи в областях концентрации темной материи.
Аннигиляцию вимпов удалось увидеть
Карта интенсивности гамма-излучения, исключающая компоненты, отличные от гало, охватывающая примерно 100 градусов в направлении центра Галактики. Горизонтальная серая полоса в центральной области соответствует области галактической плоскости, которая была исключена из анализа, чтобы избежать сильного астрофизического излучения.
Используя новейшие данные космического телескопа Fermi, Тотани обнаружил гамма-излучение, распространяющееся в форме гало к центру Млечного Пути. Наблюдаемый энергетический спектр совпадает с излучением от аннигиляции гипотетических вимпов массой примерно в 500 раз больше протона. Частота аннигиляции, оцененная по интенсивности гамма-излучения, попадает в диапазон теоретических предсказаний. Исследование опубликовано в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Зависимость интенсивности гамма-излучения гало от энергии фотонов (точки данных). Красная и синяя линии представляют ожидаемый спектр гамма-излучения при аннигиляции частиц WIMP, в результате которой сначала образуется пара нижних кварков (b) или пара W-бозонов, и они хорошо согласуются с данными. Нижние кварки и W-бозоны — известные элементарные частицы, включенные в стандартную модель физики элементарных частиц.
«Если это верно, это будет означать, что человечество впервые 'увидело' темную материю. И оказывается, что темная материя — это новая частица, не включенная в современную стандартную модель физики элементарных частиц. Это означает крупное достижение в астрономии и физике», — сказал Тотани.
Важно и то, что эти гамма-измерения трудно объяснить другими, более распространенными астрономическими явлениями. Но результаты должны быть проверены независимым анализом других исследователей. Обнаружение гамма-излучения той же энергии от карликовых галактик, которых много в гало Млечного Пути, подкрепило бы анализ Тотани.