Razele gamma oferă mesaje mixte despre identitatea materiei întunecate

Un flux de raze gamma de înaltă energie din inima Căii Lactee îi tachinează pe oamenii de știință cu privire la identitatea materiei invizibile a universului.

Rezultatele unui studiu se adaugă la dovezi tot mai mari că particulele de materie întunecată, care au, împreună, o masă de peste cinci ori mai mare decât toată materia vizibilă din univers, se lovesc unele de altele în centrul galactic și emit raze gamma. Dar un alt studiu al galaxiilor mici, presupus bogate în materie întunecată, nu găsește un astfel de semnal de raze gamma. Rezultatele conflictuale sunt cea mai recentă zbârcire din lunga căutare de a descoperi unitățile fundamentale ale materiei întunecate.

De decenii, oamenii de știință știu că există o componentă invizibilă a materiei în univers care abia interacționează cu lumina și materia obișnuită. Până acum materia întunecată s-a dezvăluit doar prin atracția sa gravitațională, care influențează viteza cu care se rotesc galaxiile și mișcarea galaxiilor în cadrul clusterelor. Dar unii teoreticieni prezic că particulele de materie întunecată ar trebui să interacționeze între ele și să producă un semnal detectabil. În căutarea acestei semnături, oamenii de știință au îndreptat telescoapele către regiuni care ar trebui să fie bogate în materie întunecată, cum ar fi centrul galaxiei Calea Lactee, la aproximativ 25.000 de ani lumină distanță.

În 2009, astrofizicienii Lisa Goodenough și Dan Hooper au analizat cu atenție măsurătorile de la telescopul spațial cu raze gamma Fermi de la NASA și au descoperit o intensitate neașteptat de mare a razelor gamma, cea mai energetică formă de radiație electromagnetică, emanată din centrul galactic. Goodenough și Hooper au sugerat că radiația gamma este semnătura particulelor masive care interacționează slab sau WIMP – particule de materie întunecată propuse care s-ar ciocni pentru a produce electroni, pozitroni (partenerul antimateriei al electronilor) și raze gamma.

Astăzi, majoritatea experților sunt de acord că există o cantitate surprinzătoare de radiații gamma din centrul galactic; oamenii de știință implicați în telescopul Fermi au susținut această concluzie pentru prima dată pe 22 octombrie, la cel de-al cincilea Simpozion Internațional Fermi de la Nagoya, Japonia. Acum, provocarea este de a demonstra că razele gamma provin din materia întunecată.

Kevork Abazajian, un cosmolog la Universitatea din California, Irvine, a căutat dovezi suplimentare ale materiei întunecate în semnalul razelor gamma. Teoreticienii au prezis că coliziunile WIMP nu ar trebui să fie singura modalitate prin care materia întunecată să genereze raze gamma. Pe o altă rută, electronii și pozitronii produși în ciocniri ar putea transfera o parte din energia lor în lumina stelelor, care s-ar ciocni în spectrul razelor gamma. Abazajian și colegii săi au studiat intensitatea și energia datelor de raze gamma ale telescopului Fermi și au descoperit că un subset al razelor gamma părea să fi fost produs de procesul luminii stelelor îmbunătățite. Cercetătorii și-au raportat rezultatele pe 23 octombrie la simpozionul Fermi și pe 22 octombrie pe arXiv.org.

Abazajian spune că materia întunecată este cea mai bună explicație pentru ceea ce vede echipa sa, dar nu este singura explicație posibilă. Centrul galactic este un loc haotic care poate conține cadavre stelare care se rotesc rapid numite pulsari și alte obiecte de înaltă energie care generează raze gamma. „Din păcate, locul care are cea mai mare materie întunecată în apropiere este și cel mai complicat cu orice altceva”, spune Brandon Anderson, astrofizician și colaborator la telescopul Fermi la Universitatea din Stockholm.

Anderson a prezentat o altă complicație pentru argumentul materiei întunecate pe 24 octombrie la simpozionul Fermi. El și colegii săi au studiat cinci ani de observații cu telescopul Fermi ale galaxiilor mici și slabe care orbitează Calea Lactee. Spre deosebire de centrul galactic, aceste galaxii pitice constau aproape în întregime din stele și materie întunecată. Dacă WIMP-urile care se ciocnesc aruncă raze gamma în centrul galactic, spune Anderson, atunci particulele ar trebui să facă același lucru în galaxiile pitice. Cu toate acestea, echipa lui Anderson nu a văzut semne de raze gamma din 25 de galaxii pitice. „Am văzut exact la ce ne-am aștepta când ne uităm la un loc fără materie întunecată”, spune el.

Marc Kamionkowski, un fizician teoretician la Universitatea Johns Hopkins, care nu a fost implicat în cercetare, spune că există încă o oarecare măsură de agitație pentru materia întunecată, în ciuda rezultatelor galaxiei pitice. „Nu este un pumnal în inima explicației materiei întunecate”, spune el. Anderson este de acord, dar el spune că studiul exclude cea mai populară gamă de mase pentru particulele de materie întunecată, cu excepția cazului în care acele particule interacționează între ele mult diferit decât au prezis teoreticienii.