Ученые выявили новую форму материи в центре Млечного Пути. Это поможет раскрыть две тайны нашей галактики

Астрономы давно озадачены двумя странными явлениями в центре нашей галактики – Млечного Пути. Причины обоих из них оставались неясными, несмотря на десятилетия наблюдений. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, показало, что оба загадочные эффекты могут быть связаны с одним и тем же компонентом Вселенной, пишет ScienceAlert.

Одно из явлений заключается в том, чтобы газ в центральной молекулярной зоне (CMZ), плотной и хаотичной области вблизи ядра Млечного Пути, похоже, ионизируется с удивительно высокой скоростью. Кроме того, телескопы зафиксировали загадочное свечение гамма-лучей с энергией 511 килоэлектронвольт (кэВ), что соответствует энергии электрона в состоянии покоя. При чем такое гамма-излучение возникает, когда электрон и его антивещественный аналогво вспышке света.

Причины именно этих эффектов остаются неясными. Однако, согласно результатам нового исследования, оба эффекта могут быть связаны с новой формой темной материи, более массивной, чем те типы, которые ищут астрономы.

Центральная молекулярная зона галактики простирается почти на 700 световых лет и содержит один из самых плотных молекулярных газов в галактике. С годами ученые обнаружили, что этот регион необычайно ионизирован, то есть молекулы водорода расщепляются на заряженные частицы – электроны и ядра – гораздо быстрее, чем ожидалось.

Это может быть результатом воздействия таких источников, как космические лучи и свет звезд, которые бомбардируют газ. Однако сами по себе эти источники, похоже, не могут объяснить наблюдаемые уровни.

Другую загадку, излучение 511 кэВ, впервые заметили в 1970-х годах, но до сих пор исследователи не могут четко определить его источник. Было предложено несколько вариантов такого источника, включая сверхновые, массивные звезды, черные дыры и нейтронные звезды. Однако ни один из них не объясняет полностью ни характер, ни интенсивность излучения.

Поэтому астрономы задались простым вопросом: могут ли оба явления быть вызваны одним и тем же скрытым процессом? Темная материя составляет около 85% материи во Вселенной, но она не излучает и не поглощает свет. Хотя ее гравитационные эффекты очевидны, ученые пока не знают, из чего она состоит.

Одна из возможностей, которую часто упускают из виду, заключается в том, что частицы темной материи могут быть очень легкими, с массой всего в несколько миллионов электронвольт, и при этом играть важную роль. Такие легкие частицы в темной материи обычно называют частицами темной материи с массой суб-ГэВ (гигаэлектронвольт).

Они могут взаимодействовать со своими античастицами. В новом исследовании астрономы изучали, что произойдет, если эти легкие частицы темной материи вступят в контакт со своими античастицами в галактическом центре и аннигилируют друг с другом, производя электроны и позитроны.

В плотном газе центральной молекулярной зоны Млечного Пути эти низкоэнергетические частицы быстро теряют энергию и очень эффективно ионизируют окружающие молекулы водорода, сбивая их электроны. Поскольку область настолько плотная, частицы не улетят далеко. Вместо этого они бы передали большую часть своей энергии локально, что вполне соответствует наблюдаемому профилю ионизации.

С помощью детального моделирования исследователи обнаружили, что этот простой процесс – аннигиляция частиц темной материи на электроны и позитроны – может естественным образом объяснить скорость ионизации, наблюдаемую в центральной молекулярной зоне.

Более того, требуемые свойства темной материи, такие как ее масса и сила взаимодействия, не противоречат никаким известным ограничениям ранней Вселенной. Темная материя такого рода представляется серьезным вариантом.

Если темная материя создает позитроны в центральной молекулярной зоне, то эти частицы в конце концов замедлятся и аннигилируют с электронами в окружающей среде, производя гамма-излучение с энергией ровно 511 кэВ. Это обеспечит прямую связь между ионизацией и загадочным свечением.

Также астрономы обнаружили, что, темная материя не только может объяснить ионизацию, но и способна воспроизвести некоторое количество излучения с энергией 511 кэВ. Это поразительное открытие позволило исследователям предположить, что оба сигнала могут исходить из одного и того же источника – светлой темной материи.

Точная яркость линии 511 кэВ зависит от нескольких факторов, в том числе от того, насколько эффективно позитроны образуют связанные состояния с электронами и, где именно они аннигилируют. Эти детали пока неясны.

Независимо от того, есть ли у эмиссии 511кэВ и ионизации центральной молекулярной зоны общий источник, скорость ионизации в ней становится новым ценным наблюдением для изучения темной материи. В частности, оно позволяет проверить модели с участием легких частиц темной материи, которые трудно обнаружить с помощью традиционных лабораторных экспериментов.

В своем исследовании астрономы показали, что предсказанный профиль ионизации темной материи является удивительно плоским в центральной молекулярной зоне Млечного Пути. Это важно, поскольку наблюдаемая ионизация действительно распределена относительно равномерно.

Точечные источники, такие как черная дыра в центре галактики, или источники космических лучей, например сверхновые, не могут легко объяснить это. А вот плавно распределенный ореол темной материи – может. Как отмечают астрономы, результаты исследования свидетельствуют о том, что центр Млечного Пути может дать новые подсказки о фундаментальной природе темной материи.

Будущие телескопы с более высоким разрешением смогут предоставить больше информации о пространственном распределении и взаимосвязи между линией 511 кэВ и скоростью ионизации центральной молекулярной зоны. Тем временем дальнейшие наблюдения за ней могут помочь исключить или усилить объяснение темной материи.

Напомним, профессор физики из Университета Алабамы в Хантсвилле доктор Ричард Лью опубликовал исследование, в котором предлагается новая модель Вселенной. Согласно этой модели, последняя была создана не только в результате Большого взрыва, но и с помощью многочисленных сингулярностей. Такая модель отвергает темную материю и темную энергию как объяснение ускорения Вселенной и возникновения таких структур как галактики. Работа исследователей основывается на более ранней модели, предполагающей, что гравитация может существовать без массы.