Вчені виявили нову форму матерії у центрі Чумацького Шляху. Це допоможе розкрити дві таємниці нашої галактики

Астрономи давно спантеличені двома дивними явищами у центрі нашої галактики – Чумацького Шляху. Причини обох їх залишалися незрозумілими, попри десятиліття спостережень. Однак нове дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, показало, що обидва загадкові ефекти можуть бути пов'язані з одним і тим самим компонентом Всесвіту, пише ScienceAlert.

Одне з явищ полягає в тому, що газ у центральній молекулярній зоні (CMZ), щільній та хаотичній області поблизу ядра Чумацького Шляху, схоже, іонізується з напрочуд високою швидкістю. Крім того, телескопи зафіксували загадкове світіння гамма-променів з енергією 511 кілоелектронвольт (кеВ), що відповідає енергії електрона у стані спокою. При чому таке гамма-випромінювання виникає, коли електрон і його антиречовий аналогу спалаху світла.

Причини саме цих ефектів залишаються неясними. Однак, згідно з результатами нового дослідження, обидва ефекти можуть бути пов'язані з новою формою темної матерії, більш масивною, ніж ті типи, які шукають астрономи.

Центральна молекулярна зона галактики простягається майже на 700 світлових років і містить один із найщільніших молекулярних газів у галактиці. З роками вчені виявили, що цей регіон є надзвичайно іонізованим, тобто молекули водню розщеплюються на заряджені частинки – електрони та ядра – набагато швидше, ніж очікувалося.

Це може бути результатом впливу таких джерел, як космічні промені та світло зірок, які бомбардують газ. Однак самі по собі ці джерела, схоже, не можуть пояснити рівні, що спостерігаються.

Іншу загадку, випромінювання 511 кеВ, вперше помітили у 1970-х роках, але досі дослідники не можуть чітко визначити його джерело. Було запропоновано кілька варіантів такого джерела, включаючи наднові, масивні зірки, чорні дірки та нейтронні зірки. Проте жоден з них не пояснює повністю ні характер, ні інтенсивність випромінювання.

Тому астрономи поставили просте питання: чи можуть обидва явища бути викликані одним і тим самим прихованим процесом? Темна матерія становить близько 85% матерії у Всесвіті, але вона не випромінює та не поглинає світло. Хоча її гравітаційні ефекти очевидні, вчені поки що не знають, із чого вона складається.

Одна з можливостей, яку часто не беруть до уваги, полягає в тому, що частинки темної матерії можуть бути дуже легкими, з масою всього в кілька мільйонів електронвольт, і при цьому відігравати важливу роль. Такі легкі частинки темної матерії зазвичай називають частинками темної матерії з масою суб-ГэВ (гігаелектронвольт).

Вони можуть взаємодіяти зі своїми античастинками. У новому дослідженні астрономи вивчали, що станеться, якщо ці легкі частинки темної матерії вступлять у контакт зі своїми античастинками в галактичному центрі та анігілюють один з одним, виробляючи електрони та позитрони.

У щільному газі центральної молекулярної зони Чумацького Шляху ці низькоенергетичні частинки швидко втрачають енергію і дуже ефективно іонізують навколишні молекули водню, збиваючи їх електрони. Оскільки область настільки щільна, частинки далеко не відлетять. Натомість вони б передали більшу частину своєї енергії локально, що цілком відповідає профілю іонізації, що спостерігається.

За допомогою детального моделювання дослідники виявили, що цей простий процес – анігіляція частинок темної матерії на електрони та позитрони – може природно пояснити швидкість іонізації, що спостерігається в центральній молекулярній зоні.

Ба більше, необхідні властивості темної матерії, такі як її маса та сила взаємодії, не суперечать жодним відомим обмеженням раннього Всесвіту. Темна матерія такого роду є серйозним варіантом.

Якщо темна матерія створює позитрони в центральній молекулярній зоні, то ці частинки зрештою сповільняться і анігілюють з електронами в навколишньому середовищі, виробляючи випромінювання гамма з енергією рівно 511 кеВ. Це забезпечить прямий зв'язок між іонізацією та загадковим світінням.

Також астрономи виявили, що темна матерія не тільки може пояснити іонізацію, але і здатна відтворити деяку кількість випромінювання з енергією 511 кеВ. Це разюче відкриття дозволило дослідникам припустити, що обидва сигнали можуть виходити з одного й того ж джерела – світлої темної матерії.

Точна яскравість лінії 511 кеВ залежить від кількох факторів, у тому числі від того, наскільки ефективно позитрони утворюють пов'язані стани з електронами та де саме вони анігілюють. Ці деталі поки що неясні.

Незалежно від того, чи є в емісії 511кеВ та іонізації центральної молекулярної зони загальне джерело, швидкість іонізації в ній стає новим цінним спостереженням для вивчення темної матерії. Зокрема, дозволяє перевірити моделі за участю легких частинок темної матерії, які важко виявити за допомогою традиційних лабораторних експериментів.

У своєму дослідженні астрономи показали, що передбачуваний профіль іонізації темної матерії є напрочуд плоским у центральній молекулярній зоні Чумацького Шляху. Це важливо, оскільки іонізація, що спостерігається, дійсно розподілена відносно рівномірно.

Точкові джерела, такі як чорна діра в центрі галактики, або джерела космічних променів, наприклад, наднові, не можуть легко пояснити це. А ось плавно розподілений ореол темної матерії може. Як зазначають астрономи, результати дослідження свідчать, що центр Чумацького Шляху може дати нові підказки про фундаментальну природу темної матерії.

Майбутні телескопи з вищим розширенням зможуть надати більше інформації про просторовий розподіл та взаємозв'язок між лінією 511 кеВ та швидкістю іонізації центральної молекулярної зони. Тим часом, подальші спостереження за нею можуть допомогти виключити або посилити пояснення темної матерії.

Нагадаємо, професор фізики з Університету Алабами в Гантсвіллі доктор Річард Лью опублікував дослідження, в якому пропонується нова модель Всесвіту. Згідно з цією моделлю, остання була створена не тільки в результаті Великого вибуху, але і за допомогою численних сингулярностей. Така модель відкидає темну матерію та темну енергію як пояснення прискорення Всесвіту та виникнення таких структур як галактики. Робота дослідників ґрунтується на більш ранній моделі, яка передбачає, що гравітація може існувати без маси.