Астрономы не нашли следов аннигиляции темной материи после 413 недель наблюдений

Галактика NGC 4696, которую ученые включили в свой анализ

X-ray: NASA/CXC/MPE/J.Sanders et al.; Optical: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/VLA

Американские ученые исследовали гамма-излучение 495 галактик из каталогов T15 и T17, которое телескоп Ферми регистрировал в течение восьми лет. Ученые снова не нашли следов аннигиляции частиц темной материи, но установили ограничение на сечение процесса и проверили результаты предыдущей работы, в которой рассматривались только карликовые сфероидальные галактики. Статья опубликована в Physical Review Letters, одновременно более подробная версия работы вышла в Physical Review D.

Существование темной материи подтверждается множеством данных по гравитационному линзированию и измерению кривых вращения галактик, однако «живьем» ее никто никогда не видел. Ученые пытаются поймать ее с помощью огромных детекторов, которые способны засечь едва уловимое столкновение частиц обычной и темной материи, следят за «невидимыми» распадами частиц, ищут на коллайдерах следы гипотетических темных фотонов — однако до сих пор никаких следов темной материи зарегистрировано не было. Точнее, все эти эксперименты позволили установить очень сильные ограничения на сечения самых разных процессов, предполагающих превращение частиц темной материи в частицы Стандартной модели. Например, ограничение на сечение рассеяния частиц с массами от одного до тысячи гигаэлектронвольт на нуклонах составляет около 10−45 квадратных сантиметров. Эти неудачи заставляют экспериментаторов все сильнее повышать точность детекторов и разрабатывать альтернативные способы поиска темной материи, а некоторые теоретики пытаются объяснить отсутствие результатов новой силой, которая отталкивает темную материю от Земли.

В частности, некоторые теории предполагают, что частицы темной материи должны аннигилировать и рождать обычные фотоны, которые можно поймать с помощью детекторов. Сами по себе такие процессы могут происходить очень редко, но в галактических гало частиц темной материи должно быть много, и аннигиляция станет заметной. В результате галактики будут излучать в гамма-диапазоне, и этот сигнал можно отделить от излучения, возникающего в других астрофизических процессах, а потом зарегистрировать с помощью современных телескопов.

Группа ученых под руководством Бенджамина Сафди (Benjamin Safdi) использовала этот гипотетический процесс для поиска темной материи. Для этого они рассчитали на основании существующих теоретических моделей поток фотонов, рождающихся при аннигиляции частиц темной материи — в основном он определяется сечением процесса и массой частиц, а также распределением материи внутри гало. Затем исследователи сравнили рассчитанный поток с экспериментальными данными, собранными телескопом Ферми (Fermi Gamma-ray Space Telescope) за период с августа 2008 по июль 2016 года. В течение всего этого периода телескоп регистрировал гамма-излучение в диапазоне энергий от 502 мегаэлектронвольт до 251 гигаэлектронвольта.

Сначала ученые отобрали около тысячи галактик из каталогов T15 и T17 (красное смещение z ≲ 0,03, масса гало не менее 1012 масс Солнца), но около половины из них оказались непригодны для дальнейшего анализа. Так, 276 галактик располагались на небольшом расстоянии от галактической плоскости, и надежному распознаванию мешало излучение Млечного Пути. Еще 134 галактики находились слишком близко друг к другу — ученые считали, что сигнал можно приписать определенной галактике только в том случае, если в диапазоне двух градусов от нее нет других массивных объектов. Наконец, исследователи отбросили еще 95 галактик, поскольку сечения, рассчитанные на основании их данных, слишком сильно отклонялись от среднего — более чем на девять порядков для каждого значения массы частиц темной материи. Скорее всего, в этих случаях источником фотонов выступала не аннигиляция темной материи, а другие астрофизические процессы.

В результате исследователи получили ограничение на сечение аннигиляции гипотетических частиц с массами от десяти до десяти тысяч гигаэлектронвольт. Поскольку остаточный поток гамма-излучения оказался небольшим, ограничение получилось очень сильным. Так, сечение аннигиляции частиц с массой около ста гиагаэлектронвольт не превышает 10−25 сантиметров кубических на секунду.

Ранее ученые уже исследовали с помощью телескопа Ферми аннигиляцию темной материи, образующей гало, которые окружают карликовые сфероидальные галактики. Такие галактики содержат большое количество темной материи (много больше, чем масса входящих в их состав звезд), а потому рассчитанные с их помощью ограничения на сечение аннигиляции частиц темной материи немного точнее, чем результаты новой работы. С другой стороны, данные измерений карликовых галактик подвержены большим систематическим ошибкам, а новая работа проверяет этот результат независимым способом.

В конце ноября прошлого года китайская космическая обсерватория DAMPE с хорошим разрешением и низким уровнем шума измерила энергетический спектр космических электронов и позитронов. Это позволило подтвердить «провал» на энергиях больше одного тераэлектронвольта и нащупать резкий «всплеск» на энергии около 1,4 тераэлектронвольт, который может указывать на аннигиляцию или столкновение частиц темной материи. С другой стороны, этот всплеск может оказаться всего лишь статистической флуктуацией — пока что DAMPE еще не успел собрать достаточно данных, чтобы исключить такую возможность.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.