Астрофізики заявили про перше виявлення частинок темної матерії. Досі їх не бачив жоден детектор

Япон­ський астро­фі­зик заявив, що теле­скоп Фер­мі зміг поба­чи­ти частин­ки тем­ної мате­рії — так зва­ні вім­пи. Досі ці частин­ки опи­су­ва­ли лише тео­ре­ти­чно, і жодно­му дете­кто­ру не вда­ва­ло­ся їх зафі­ксу­ва­ти. Фер­мі ж, на дум­ку вче­но­го, зміг поба­чи­ти гам­ма-випро­мі­ню­ва­н­ня, яке вини­кло при вза­є­мо­дії вім­пів між собою. Нара­зі резуль­тат потре­бує під­твер­дже­н­ня біль­шою кіль­кі­стю спо­сте­ре­жень. Однак, якщо інтер­пре­та­ція даних вияви­ться прав­ди­вою, ці резуль­та­ти ста­нуть пер­шим випад­ком спо­сте­ре­же­н­ня за тем­ною мате­рі­єю напряму. 

Попри те, що тем­на мате­рія займає у п’ять разів біль­ше маси Все­сві­ту, ніж види­ма — тоб­то про­то­ни, ней­тро­ни та інші частин­ки — досі спо­сте­рі­га­ти її не вда­ва­ло­ся із жодним теле­ско­пом чи дете­кто­ром. Про наяв­ність цієї мате­рії вза­га­лі відо­мо лише через її вплив на зви­чай­ну вна­слі­док дії гра­ві­та­ції. Утім, тем­на мате­рія все ж має з чогось скла­да­ти­ся, поді­бно до зви­чай­ної. І згі­дно з одні­єю з про­від­них тео­рій, вона скла­да­є­ться із вім­пів (WIMPs) — масив­них части­нок, що слаб­ко взаємодіють.

Слаб­ка вза­є­мо­дія в назві цих части­нок вка­зує на те, що вім­пи май­же не всту­па­ють у кон­такт зі зви­чай­ною мате­рі­єю: вони не погли­на­ють і не випро­мі­ню­ють сві­тло, не від­штов­ху­ю­ться еле­ктро­ма­гні­тни­ми сила­ми й дола­ють космі­чний про­стір, не лиша­ю­чи по собі слі­ду, який міг би поба­чи­ти теле­скоп чи детектор.

Утім, вва­жа­є­ться, що вім­пи можуть вза­є­мо­ді­я­ти між собою. У такій вза­є­мо­дії вони ані­гі­лю­ють та ство­рю­ють гам­ма-випро­мі­ню­ва­н­ня, яке інстру­мен­ти все ж зда­тні заре­є­стру­ва­ти. Вла­сне, саме таку подію, на дум­ку астро­фі­зи­ка з Токій­сько­го уні­вер­си­те­ту Томо­но­рі Тотан (Tomonori Totan), зафі­ксу­ва­ла космі­чна гам­ма-обсер­ва­то­рія Фермі.

Як це вдалося?

Досі спро­би вияви­ти гам­ма-випро­мі­ню­ва­н­ня від вза­є­мо­дії вім­пів між собою зосе­ре­джу­ва­ли­ся на спо­сте­ре­жен­ні цен­тру Чума­цько­го Шля­ху, де щіль­ність тем­ної мате­рії най­ви­ща. Але цей регіон наси­че­ний пуль­са­ра­ми та інши­ми яскра­ви­ми дже­ре­ла­ми, що ускла­днює вияв­ле­н­ня слаб­ких сигна­лів. Тому Тотан вирі­шив піти іншим шля­хом та звер­нув ува­гу на гала­кти­чне гало — сфе­ру газу, що ото­чує Чума­цький Шлях. Гало «чисті­ше» для ана­лі­зу зав­дя­ки від­су­тно­сті сто­рон­ніх дже­рел випро­мі­ню­ва­н­ня, хоч сигнал від тем­ної мате­рії там може бути слабшим.

Галактичне гало Чумацького Шляху, у якому зафіксували характерне для темної матерії гамма-випромінювання

Ана­лі­зу­ю­чи 15 років спо­сте­ре­жень обсер­ва­то­рії Фер­мі, що охо­плю­ва­ли також область гала­кти­чно­го гало, Тота­ні виявив надли­шок гам­ма-випро­мі­ню­ва­н­ня — ком­по­нент, який немо­жли­во поясни­ти відо­ми­ми дже­ре­ла­ми чи моде­ля­ми вза­є­мо­дії космі­чних про­ме­нів. Най­більш вира­зною рисою цьо­го надли­шку є пік енер­гії при­бли­зно на рів­ні 20 гіга­еле­ктрон­вольт. Це у міль­йо­ни разів біль­ше, ніж енер­гія фото­нів види­мо­го сві­тла. А також збі­га­є­ться з тео­ре­ти­чни­ми роз­ра­хун­ка­ми для енер­гії, яка вини­ка­ти­ме при ані­гі­ля­ції вім­пів із масою у близь­ко 500 мас про­то­на. Також вияв­ле­ні Тота­ном гам­ма-про­ме­ні утво­рю­ють гало нав­ко­ло цен­тру нашої гала­кти­ки, фор­ма яко­го май­же точно від­по­від­ає про­гно­зам моде­лей роз­по­ді­лу тем­ної матерії.

За сло­ва­ми нау­ков­ця, жодне відо­ме астро­фі­зи­чне дже­ре­ло, напри­клад надно­ві, пуль­са­ри чи чор­ні діри не можуть поясни­ти спо­сте­ре­жу­ва­не Фер­мі випро­мі­ню­ва­н­ня. Однак, водно­час спо­сте­ре­же­н­ня все одно не дозво­ля­ють точно вста­но­ви­ти при­ро­ду сигна­лу. Вони лише узго­джу­ю­ться з моде­л­лю вім­пів, а не дово­дять її. Тому дове­де­ться шука­ти біль­ше поді­бних гам­ма-сигна­лів у інших куто­чках нашої та інших галактик.

Що змі­нить від­кри­т­тя вімпів?

Під­твер­дже­н­ня існу­ва­н­ня вім­пів озна­ча­ло б, що вче­ні впер­ше визна­чи­ли при­ро­ду тем­ної мате­рії — ком­по­нен­та, який ста­но­вить біль­шу части­ну мате­рії у Все­сві­ті та визна­чає його гра­ві­та­цій­ну архі­те­кту­ру. Дослі­дже­н­ня вла­сти­во­стей вім­пів, засно­ва­не на даних спо­сте­ре­жень, а не тео­ре­ти­чних при­пу­ще­н­нях, дало б змо­гу зна­чно точні­ше моде­лю­ва­ти роз­ви­ток гала­ктик, визна­ча­ти темп їхньо­го зли­т­тя, мас­шта­би гра­ві­та­цій­но­го нагрі­ву та пере­роз­по­діл маси в космі­чних систе­мах. Це також від­кри­ло б шлях до побу­до­ви нових тео­ре­ти­чних моде­лей похо­дже­н­ня та ево­лю­ції Все­сві­ту, які поєд­ну­ва­ли б космо­ло­гію й фізи­ку еле­мен­тар­них частинок.

Втім, резуль­та­ти Тота­ні поки що не можна вва­жа­ти оста­то­чним дока­зом існу­ва­н­ня вім­пів. Хоча зна­йде­ний ним надли­шок випро­мі­ню­ва­н­ня має спе­ктраль­ні та про­сто­ро­ві озна­ки, узго­дже­ні з очі­ку­ва­н­ня­ми для ані­гі­ля­ції тем­ної мате­рії, дослі­дже­н­ня має низ­ку обме­жень. Зокре­ма резуль­та­ти його роз­ра­хун­ків також покла­да­ю­ться на моде­лю­ва­н­ня вза­є­мо­дії космі­чних про­ме­нів з між­зо­ря­ним газом та випро­мі­ню­ва­н­ням, що могло вне­сти нето­чно­сті у хара­кте­ри­сти­ки вияв­ле­но­го вче­ним сигналу.

302 Found iopscience.iop.org