Тёмная материя

     Тёмная материя, самая мистическая и самая распространённая субстанция во Вселенной, остаётся всё такой же неуловимой. Хотя множество экспериментов на земле и в космосе не помогли ученым найти тёмную материю, однако, сузили область исследований для дальнейшего поиска. Три исследования, которые были опубликованы ранее в 2016 году, сделаны на основе данных, полученных с космического телескопа Ферми. Они открывают новую страницу в истории поиска таинственной тёмной материи.

      «Мы искали известных подозреваемых в известных местах, но не добились никаких значимых результатов. Поэтому мы вынуждены начать поиск в новых направлениях» - заявила Julie McEnery, учёный центра космических полетов Годдарта НАСА, штат Мэриленд. Данные гамма-телескопа Ферми позволили исключить многих кандидатов на роль тёмной материи и показали, что лишь небольшой процент фонового гамма-излучения от источников вне нашей галактики, принадлежит тёмной материи.

     Тёмная материя не излучает и не поглощает свет. Пока единственным, достоверно известным способом взаимодействия тёмной материи с обычным веществом, является гравитация. Астрономы наблюдают результаты взаимодействия в виде странностей во вращении галактик, в распределении света проходящего через скопления галактик и в компьютерных симуляциях ранней Вселенной, которые требуют наличия тёмной материи для начала формирования галактик.

     Пока среди претендентов на частицы тёмной материи лидируют различные гипотетические частицы. Ученые полагают, что гамма-лучи, самая высокоэнергетическая форма света, помогут обнаружить некоторые частицы тёмной материи. Пока телескоп Ферми искал специфическое гамма-излучение от тёмной материи в центре нашей галактики и карликовых галактиках-сателлитах, вращающихся вокруг нашей. Поиск не дал результатов, тем не менее, исследования позволили исключить некоторых кандидатов с определённым спектром масс и помогли откорректировать возможные характеристики частиц для дальнейших поисков.

     Среди новых сценариев исследований были довольно экзотические, например, поиск гипотетических частиц под названием аксионы или других со сходными характеристиками. Интригующей особенностью этой частицы, является возможность превращения её в фотон рентгеновского диапазона при взаимодействии с сильным магнитным полем. Подобные превращения должны были оставлять специфические следы в спектрах ярких источников гамма-излучения.

      Мануэль Мейер (Manuel Meyer), учёный Стокгольмского университета, ведёт поиски данного эффекта, изучая гамма-излучение от галактики NGC 1275. Галактика находится в центре скопления Персея, расположенном в 240 миллионах световых лет от нас. Мощное гамма-излучение от NGC 1275, предположительно, исходит от сверхмассивной чёрной дыры в её центре. Как и все галактические скопления, скопление Персея наполнено потоками горячего газа, управляемого мощными магнитными полями. Именно в таких условиях, теоретически, можно наблюдать взаимное превращение гамма-излучения в частицы подобные аксионам и обратно.

     Команда Мейера собрала данные телескопа Ферми и изучила их в поисках предсказанных искажений в спектре гамма-излучения галактики NGC 1275. В опубликованном 20 апреля докладе удалось определить узкий диапазон масс частиц подобных аксиону, которые составляют около 4% тёмной материи. Хотя учёные не смогли обнаружить аксионы в экспериментах, они чётко ограничили возможные диапазоны масс аксинов, используемых в соответствующих моделях. Параллельно удалось настолько точно откалибровать телескоп Ферми, что ранее удавалось достичь только в лабораторных экспериментах.

     Другим классом кандидатов на роль тёмной материи, поиском которых заняты учёные, являются слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs). Эти частицы в равной мере могут аннигилировать или произвести промежуточные частицы с быстрым полураспадом. Оба сценария сопровождаются гамма-излучением, которое улавливается массивом телескопов Ферми (LAT).

     Regina Caputo из университета Калифорнии, Санта Круз, в поисках WIMPs изучала гамма-излучение от Малого Магелланового облака, которое находится в 200 000 световых лет от нас и является второй по величине из галактик сателлитов нашей собственной галактики. Галактика Малое Магелланово Облако очень удобна для поисков тёмной материи путём наблюдения её гамма-излучения, поскольку она находится близко от нас и излучение от известных источников типа пульсаров или областей формирования звезд, очень хорошо изучено. Наиболее важным является то, что ученые очень точно измерили кривую вращения галактики, а именно, как меняется скорость вращения по мере удаления от её центра. Кривая дает точное представление о количестве тёмной материи в галактике.

     Regina Caputo с коллегами смоделировала распределение тёмной материи в галактике Малое Магелланово Облако и определила, что её количества достаточно для поиска сигнала от двух видов WIMPs. К сожалению, всё изученное гамма-излучение принадлежало известным источникам, никакой тёмной материи обнаружено не было.

     Третье исследование было опубликовано Marco Ajello из университета Клемсон, Южная Королина, в соавторстве с Mattia Di Mauro из национальной ускорительной лаборатории (SLAC). Эти ученые пошли другим путем. Они стали изучать внегалактическое фоновое гамма-излучение вместо исследования известных источников. Коллеги обработали данные массива телескопов, полученные за 6.5 лет.

    С момента обнаружения в 1970-х годах внегалактического фонового гамма-излучения, учёные спорят о его природе. Телескоп Ферми обнаружил, что большая его часть принадлежит блазарам. Блазар - гигантская галактика с активным ядром, в котором сверхмассивная чёрная дыра активно поглощает окружающий её газ и пыль. На блазары приходится более половины всех источников, обнаруженных телескопом. Кстати, именно работа телескопа Ферми позволила каталогизировать наиболее яркие источники гамма-излучения Вселенной.

     Некоторые модели предсказывают, что часть фонового гамма-излучения приходит от удалённых взаимодействий или распада WIMPs. Результаты детального анализа, проведенного Mattia Di Mauro и Marco Ajello, опубликованы 14 апреля. Работа доказывает, что почти всё внегалактическое фоновое гамма-излучение принадлежит блазарам и другим известным отдельным источникам. Лишь мизерная часть фонового излучения может принадлежать каким-то другим, экзотическим источникам. Другими словами вклад распада или аннигиляции WIMPs в его формирование ничтожен. С другой стороны, возможно, это позволит уточнить частоту распада или аннигиляции WIMPs.

     Хотя закинутые учёными сети не принесли долгожданного улова, дальнейшие эксперименты с учетом необходимых корректировок, наконец-то позволят приблизиться к ответу на вопрос о том, что такое тёмная материя.