Święty Graal astrofizyki przyłapany na zdjęciu. Pierwszy raz w historii
Wszystko wskazuje na to, że Kosmiczny Teleskop Fermiego dostarczył nam dowód na istnienie czegoś, co do tej pory było tylko matematyczną zjawą, duchem astrofizyki. Mowa o ciemnej materii, niewidzialnym kleju, który trzyma wszechświat w ryzach.
Na początku lat 30. XX wieku szwajcarski astronom Fritz Zwicky zaobserwował galaktyki poruszające się szybciej, niż pozwalałaby na to ich masa. Skłoniło go to do wniosku o obecności niewidzialnego rusztowania, ciemnej materii spajającej galaktyki.
Teraz, prawie 100 lat później, Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermiego NASA mógł dostarczyć bezpośrednich dowodów na istnienie ciemnej materii, umożliwiając "zobaczenie" niewidzialnej materii po raz pierwszy.
Dlaczego tak trudno zobaczyć ducha?
Problem z ciemną materią jest taki, że jest ona… cóż, ciemna. I to w dosłownym znaczeniu. Cząsteczki, z których się składa, są kompletnie aspołeczne w świecie fizyki i nie wchodzą w interakcje z promieniowaniem elektromagnetycznym. Oznacza to, że ciemna materia nie odbija światła, nie pochłania go ani go nie emituje. Jest dla naszych teleskopów przezroczysta.
Do tej pory naukowcy byli w stanie obserwować ciemną materię jedynie pośrednio, poprzez jej wpływ na obserwowalną materię, na przykład poprzez jej zdolność do generowania wystarczającej siły grawitacyjnej, aby utrzymać galaktyki razem.
Ciemna materia pozostaje więc dla nas w dużej mierze tajemnicą. I to pomimo wysiłku całych pokoleń fizyków i astronomów.
Sygnał z serca Drogi Mlecznej
Teorii jest mnóstwo, ale wielu badaczy wysuwa hipotezę, że ciemna materia składa się z tzw. słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP). Teoretycznie są one cięższe od protonów, ale prawie całkowicie ignorują istnienie innej materii.
Naukowcy od lat głowili się, jak przechytrzyć ten problem. Pułapką na przyłapanie ciemnej materii jest hipoteza, że zderzenie dwóch WIMP-ów spowoduje ich anihilację i uwolnienie innych cząstek, w tym fotonów promieniowania gamma.
Astronomowie od dłuższego już czasu poszukują tego specyficznego promieniowania skupiając się na obszarach, w których występuje skupisko ciemnej materii, takich jak centrum Drogi Mlecznej.
Wykorzystując najnowsze dane z Kosmicznego Teleskopu Fermiego, profesor Tomonori Totani z Wydziału Astronomii Uniwersytetu Tokijskiego uważa, że w końcu wykrył promieniowanie gamma, którego powstanie przewidywała teoretyczna anihilacja cząstek ciemnej materii.
Wyniki badań Totaniego zostały opublikowane w czasopiśmie Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Widmo uchwycone na zdjęciu
Zaobserwowaliśmy promieniowanie gamma o energii fotonów wynoszącej 20 GeV (czyli 20 miliardów elektronowoltów!), rozciągające się w strukturze przypominającej halo w kierunku centrum Drogi Mlecznej. Składowa emisji promieniowania gamma ściśle odpowiada kształtowi oczekiwanemu od halo ciemnej materii – powiedział Totani.
Obserwowane widmo energetyczne, czyli zakres intensywności emisji promieniowania gamma, pokrywa się z emisją przewidywaną z anihilacji hipotetycznych cząstek WIMP o masie około 500 razy większej od masy protonu. Częstotliwość anihilacji cząstek WIMP oszacowana na podstawie zmierzonej intensywności promieniowania gamma również mieści się w zakresie przewidywań teoretycznych.
Co ważne, tych pomiarów promieniowania gamma nie da się łatwo wytłumaczyć innymi, bardziej powszechnymi zjawiskami astronomicznymi ani emisjami promieniowania gamma. Dlatego Totani uważa te dane za mocną wskazówkę na emisję promieniowania gamma z ciemnej materii.
Jeśli to prawda oznaczałoby to pierwszy raz, kiedy ludzkość "zobaczyła" ciemną materię. Okazuje się, że ciemna materia to nowa cząstka, nieuwzględniona w obecnym standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych. To oznacza ogromny postęp w astronomii i fizyce – powiedział Totani.
Chociaż Totani jest przekonany, że jego pomiary promieniowania gamma wykrywają cząstki ciemnej materii, jego wyniki muszą zostać zweryfikowane w drodze niezależnej analizy przeprowadzonej przez innych badaczy.
Nawet po tym potwierdzeniu naukowcy będą chcieli uzyskać dodatkowe dowody na to, że promieniowanie przypominające halo jest rzeczywiście wynikiem anihilacji ciemnej materii, a nie pochodzi z jakiegoś innego zjawiska astronomicznego.
