Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Распределение материи и гамма-лучей указало на аннигиляцию темной материи

S. Ammazzalorso et al. / Physical Review Letters, 2020

Астрономы сравнили распределение материи во Вселенной с фоновым гамма-излучением и обнаружили корреляции между ними. Основную долю сигнала можно объяснить влиянием неярких блазаров, но часть должна быть связана либо с новой популяцией объектов с необычными свойствами, либо с принципиально иным классом источников. Не исключено, что он представляет собой аннигиляцию частиц темной материи, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

Ряд астрономических наблюдений показывает, что помимо известного вещества, из которого состоят звезды, облака газа и галактики, во Вселенной присутствует и компонент другой природы, получивший название темной материи. На нее должно приходиться примерно 85 процентов массы всех видов материи, но ученые пока не знают, что она из себя представляет. Согласно наиболее популярным гипотезам, темная материя состоит из частиц с массами порядка протона или больше.

Некоторые теории устройства темной материи предполагают, что ее частицы могут аннигилировать при реакции друг с другом. В таком случае они должны превращаться в пары других частиц, в том числе фотонов высоких энергий. Поиски подобных сигналов продолжаются уже несколько лет, но убедительных данных пока получено не было.

Одно из наблюдательных указаний на существование темной материи заключается в существенно большей гравитационной массе галактик и их скоплений, чем можно предположить на основе содержащихся в них звезд. Такой вывод можно сделать, изучая искривление лучей света от фоновых объектов, проходящих рядом с массивными образованиями, — гравитационному линзированию.

При близком прохождении лучей света рядом с компактным массивным объектом происходит сильное гравитационное линзирование, которое порождает дополнительные искаженные изображения источника. Однако такое происходит редко, как правило, наблюдается другой режим — слабое линзирование, которое слегка изменяет формы и размеры фоновых объектов, но может быть статистически вычислено при наличии большой выборки. Крупные обзоры неба позволяют построить карту слабого линзирования, из которой можно вычислить распределение массы во Вселенной.

Группа ученых при участии Симона Аммаццалорсо (Simone Ammazzalorso) из Туринского университета провела сравнение карты слабого линзирования, полученной в рамках обзора DES, и распределения фоновых гамма-источников по данным космического телескопа «Ферми». Оказалось, что положение гравитационных линз, за которое в первую очередь должна отвечать темная материя, коррелирует с координатами высокоэнергетических квантов света. Авторы отмечают, что другие авторы ранее пытались найти подобный сигнал с использованием других данных, но ни одной группе исследователей этого не удавалось сделать.

Астрономы использовали данные 108 месяцев наблюдения космической обсерватории и результаты первого года обзора DES. Из данных «Ферми» были удалены известные источники и вычтена модельная интенсивность фона Млечного Пути. Корреляцию искали между координатами и потоками в гамма-диапазоне с измеренным посредством линзирования изменением формы галактик — гравитационным сдвигом. Отношение сигнала к шуму кросс-корреляции оказалось выше пяти, что говорит о присутствии заметного эффекта.

Анализ для различных масштабов и диапазонов энергий показал, что большая часть сигнала приходится на небольшие угловые масштабы (менее 0,3 градусов) и высокие энергии. Такое влияние проще всего объяснить присутствием фоновой популяции точечных источников с жестким спектром (крутой зависимостью потока от частоты) с показателем порядка 1,8. Больше всего на роль таких объектов подходят блазары — активные ядра галактик с малым углом между лучом зрения и направлением движения джета из центральной черной дыры.

Также астрономы обнаружили менее статистически значимую корреляцию на бóльших угловых масштабах. Чтобы определить ее природу, ученые провели моделирование ожидаемого сигнала от недостаточно ярких блазаров, других активных ядер галактик, галактик с активным звездообразованием и самой темной материи. Оказалось, что со статистической значимостью около трех стандартных отклонений в сигнале присутствует вклад аннигиляции частиц темной материи с массами 65 ± 25 гигаэлектронвольт.

Авторы отмечают, что итоговая значимость сигнала темной материи не очень велика. Также не исключено, что популяции тусклых высокоэнергетических источников отличаются по параметрам от более ярких известных. В таком случае сделанные оценки необходимо корректировать. Однако продолжающиеся обзоры, подобные DES, а также будущие более масштабные проекты, вроде LSST, предоставят гораздо больше данных, которые позволяет намного точнее измерить возможный вклад темной материи.

Ранее ученые предложили новый способ поиска частиц темной материи с использованием сверхпроводящих нанопроводов, а также показали несовместимость идеи сверхтекучей темной материи с динамикой звезд в Млечном Пути. Также мы делали специальный тест по основным моделям этого компонента Вселенной — «Какая ты темная материя?».

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.