Der er en masse mystiske begivenheder i centrum af Mælkevejen. Det supermassive sorte hul, der bor der, er chef blandt dem. Men der er et andet spændende puslespil der: et uventet sfærisk område med intense gammastråleemissioner.
En ny undersøgelse antyder, at mørkt stof kan ligge bag disse emissioner.
Der er masser af gammastrålekilder i universet, og de fleste af dem er godt forstået. Pulsarer, magnetarer og kvasarer producerer alle gammastråler. Men kan de redegøre for gammastrålerne, der kommer fra centrum af vores galakse?
Gamma-stråler er kraftfulde. De er en form for gennemtrængende elektromagnetisk stråling produceret af de mest energiske fænomener i universet. De har de korteste bølgelængder for enhver form for elektromagnetisk stråling og den højeste foton energi.
Overskuddet af gammastråler i hjertet af Mælkevejen er kendt af fysikere, og de kalder det det galaktiske centeroverskud (GCE.) Vi ved meget om Mælkevejen, og den viden har indsnævret forklaringerne til GCE ned til to førende muligheder: enten en bestand af pulsarer, der hurtigt roterer neutronstjerner, eller mørkt stof. Fysikere tror, at hvis det er mørkt stof, findes det i en tæt sky i midten af galaksen, kolliderer med sig selv og ødelægger sig selv for at producere gammastråler.
I 2015 viste en undersøgelse, at kilden til GCE faktisk var pulsarer, og mørk stof ikke var involveret. Denne undersøgelse kom fra et team af forskere fra Princeton og MIT, inklusive lektor i fysik Tracy Slatyer. De brugte observationer af det galaktiske centrum taget med Fermi Gamma-ray Space Telescope sammen med en model, der beskrev alle interaktioner i Mælkevejen, der kunne frembringe gammastråler. De konkluderede, at pulsarer var ansvarlige.
Men en ny undersøgelse, der også involverede Slatyer fra MIT, ser ud til at have væltet disse resultater og peget på mørkt stof som kilden til alle disse gammastråler.
Den nye undersøgelse har titlen ”Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess” og den er offentliggjort i Physical Review Letters. Forfatterne er Tracy Slatyer fra Center for Teoretisk Fysik ved MIT og Rebecca Leane fra School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study. Deres undersøgelse siger, at der er et problem med den tidligere, og dens resultater er upålidelige. Et mørkt sags bidrag til GCE kunne have været ubemærket.
Sværhedsgraden ved at indsnævre GCE ned til enten pulsarer eller mørkt stof kommer ned på den måde, fotonerne udsendes, og på vores teknologiske evne til at registrere dem. Gamma-stråler fra mørkt stof ville være diffuse, mens dem fra pulsarer ville være mere koncentrerede punktkilder. I 2015 virkede alle gammastråler diffuse, men det kan skyldes, at punktkilderne synes diffuse til vores teleskoper, som har begrænset rumlig opløsning. I 2015 konkluderede forskerne, at pulsarer var ansvarlige.
Mælkevejen er mere eller mindre flad med en bule i midten. Gamma-strålene optager et sfærisk område i centrum omkring 5.000 lysår i radius. Metoden, som Slatyer og hendes kolleger udviklede i 2015, forsøgte at løse, hvis denne sfæriske region var ”glat”, eller hvis den var ”kornet”. Deres begrundelse var, at hvis pulsarer er kilden til gammastrålerne, så skulle disse gammastråler få det sfæriske område til at se kornigt ud. Der ville være mørke mellemrum mellem gammastrålerne, hvor der ikke var nogen pulsære kilder.
Men hvis gammastrålerne kom fra mørkt stof, ville det kugleformede område være glat. ”Hver synslinje mod det galaktiske centrum har sandsynligvis mørke stoffer, så jeg skulle ikke se nogen huller eller kolde pletter i signalet,” forklarede Slatyer.
De udviklede en model, der stod for alt stof og gas i Mælkevejen, og alle partikelinteraktioner, der kunne producere gammastråler. Derefter overvejede de modeller til GCEs sfæriske region, der var enten kornet eller glat, og en statistisk metode til at adskille dem fra hinanden. Derefter tog de denne model og fodrede faktiske Fermi Gamma-ray Space Telescope-observationer ind i den for at se, om observationer passer ind i enten en kornet eller en glat profil.
Hvis observationer passer ind i en kornet profil, kunne pulsarer forklare gammastrålerne. Hvis de passer ind i en glat profil, kunne mørke stoffer forklare dem. Den kornede profil var en overvældende pasning.
”Vi så, det var 100 procent kornet, og så sagde vi,” åh, mørk materie kan ikke gøre det, så det skal være noget andet, ”” husker Slatyer. ”Mit håb var, at dette bare ville være den første af mange undersøgelser af den galaktiske centerregion ved hjælp af lignende teknikker. Men i 2018 var de vigtigste krydskontroller af metoden stadig dem, vi havde gjort i 2015, hvilket gjorde mig temmelig nervøs for, at vi måske har gået glip af noget. ”
Til sidst besluttede Slatyer og Leane at teste modellen. Slatyer var bekymret over, at det måske ikke var robust nok. De besluttede at oprette et "falskt" kort over himlen med et mørkt stofsignal og pulsarer, der ikke var forbundet med GCE. De førte den ind i modellen, og selv om deres data indeholdt et falskt mørkstofsignal, konkluderede modellen, at den var kornet og derfor pulsardomineret. Ifølge Slatyer var det beviset for, at deres model ikke var idiotsikker, og at der stadig var plads til mørk stof til at spille en rolle i GCE.
"Hvis det er virkelig mørkt stof, ville dette være det første bevis på, at mørkt stof interagerer med synligt stof gennem andre kræfter end tyngdekraften."
Rebecca Leane, medforfatter, Skolen for naturvidenskaber, Institut for avanceret undersøgelse.
Derefter foreslog en kollega, at forskerne tilføjede et falskt mørkstofsignal kombineret med ægte Fermi-observationer for at teste deres model i stedet for med et falskt baggrundskort.
De gjorde det, og deres statistiske model mislykkedes testen. På trods af det glatte mørke stofsignal returnerede modellen et kornet pulsardomineret resultat. De skruede op deres mørke stof til fire gange størrelsen på den faktiske GCE, og stadig kunne deres model ikke registrere det.
”På det tidspunkt var jeg temmelig ophidset, fordi jeg vidste, at implikationerne var meget store - det betød, at forklaringen på den mørke stof var tilbage på bordet,” siger Leane.
Hvis disse nyeste resultater er korrekte, er det en big deal.
”Hvis det er virkelig mørkt stof, ville dette være det første bevis på, at mørkt stof interagerer med synligt stof gennem andre kræfter end tyngdekraften,” siger Leane. ”Arten af mørk stof er et af de største åbne spørgsmål i fysik i øjeblikket. At identificere dette signal som mørkt stof kan gøre det muligt for os endelig at afsløre den grundlæggende identitet af mørkt stof. Uanset hvad det overskydende viser sig at være, lærer vi noget nyt om universet. ”
”Det er spændende, idet vi troede, at vi havde fjernet muligheden for, at dette er mørk materie,” sagde Slatyer i en pressemeddelelse. ”Men nu er der et smuthul, en systematisk fejl i den påstand, vi har fremsat. Det åbner døren igen for at signalet kommer fra mørkt stof. ”
Dette nye resultat offentliggøres i tidsskriftet Physical Review Letters '11. december.
Mere:
- MIT Pressemeddelelse: Er der mørkt stof i midten af Mælkevejen?
- Forskningsartikel: Revival of the Dark Matter Hypothesis for Galactic Center Gamma-Ray Excess
- Wikipedia: Svage interaktive massive particles (WIMPs)
