Nadwyżka promieniowania gamma w centrum Drogi Mlecznej nie ma ciemnego pochodzenia

Nadwyżka promieniowania gamma obserwowana w centrum Drogi Mlecznej najprawdopodobniej pochodzi od populacji szybko rotujących, bardzo gęstych i silnie magnetycznych gwiazd neutronowych, tzw. pulsarów. Źródło: NASA/CXC/University of Massachusetts/D. Wang et al.

Tajemnicza poświata w zakresie promieniowania gamma w centrum Drogi Mlecznej najprawdopodobniej ma swoje źródło w pulsarach – niesamowicie gęstych, szybko rotujących jądrach dawnych gwiazd, które uległy kolapsowi, a których masa sięgała nawet 30 mas Słońca. Do takich wniosków prowadzą wyniki najnowszej analizy przeprowadzonej przez międzynarodowy zespół astrofizyków m.in z SLAC National Accelerator Laboratory. Wyniki podważają wcześniejsze interpretacje mówiące, że sygnał może stanowić potencjalną oznakę ciemnej materii – materii odpowiadającej za nawet 85% materii we Wszechświecie, której jak dotąd nie udało się wykryć.

Nasze badania wskazują, że nie potrzebujemy ciemnej materii do zrozumienia emisji promieni gamma w naszej galaktyce – mówi Mattia Di Mauro z Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), instytucie Uniwersytetu Stanforda oraz SLAC. Zamiast tego zidentyfikowaliśmy populację pulsarów w regionie centrum naszej galaktyki, która rzuca nowe światło na historię formowania Drogi Mlecznej.

Di Mauro kierował badaniami w ramach grupy Fermi LAT – międzynarodowego zespołu badaczy, który przyglądał się poświacie za pomocą Large Area Telescope (LAT) zainstalowanego na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Promieniowania Gamma Fermi, który krąży wokół Ziemi od 2008 roku. LAT – oko czułe na promienie gamma czyli najbardziej energetyczny rodzaj promieniowania – powstał w SLAC, który także nadzoruje jego operacje.

Tajemnicza poświata

Ciemna materia stanowi jedną z największych tajemnic współczesnej fizyki. Badacze wiedzą o istnieniu ciemnej materii ponieważ zakrzywia ona światło emitowane przez odległe galaktyki i wpływa na rotację galaktyk, jednak jak dotąd nikt nie wie z czego się ona składa. Większość naukowców uważa, że ciemna materia składa się z cząstek, które jeszcze nie zostały wykryte, a które prawie nigdy nie oddziałują z normalną materią barionową inaczej niż poprzez grawitację.

Gdy astrofizycy modelowali źródła promieniowania gamma w Drodze Mlecznej pozostawała im nadwyżka w postaci poświaty w centrum galaktyki. Część badaczy wskazywała, że poświata może mieć swoje źródło w ciemnej materii, jednak okazuje się, że może ona mieć także inne pochodzenie kosmiczne. Źródło: NASA; A. Mellinger/Central Michigan University; T. Linden/University of Chicago

Jeden ze sposobów rejestrowania cząstek ciemnej materii za pomocą instrumentów naukowych to obserwowanie ich rozpadu lub zderzeń. Szeroko prowadzone badania wskazują, że takie zdarzenia mogłyby prowokować emisję promieniowania gamma – mówi Seth Digel, kierownik grupy Fermi w KIPAC.  Poszukujemy tego promieniowania za pomocą LAT w tych regionach Wszechświata, które są bogate w ciemną materię, np. w centrum naszej własnej galaktyki.

Wcześniejsze badania faktycznie wskazywały, że z centrum galaktyki otrzymujemy więcej promieni gamma niż się tego spodziewaliśmy, dzięki czemu z resztą pojawiały się artykuły naukowe i doniesienia medialne, że sygnał ten może pochodzić od od dawna poszukiwanej ciemnej materii. Jednak promienie gamma powstają także w innych kosmicznych procesach, które należy wyeliminować zanim zacznie się wyciągać z obserwacji wnioski uwzględniające ciemną materię. To szczególnie trudne w tym wypadku, ponieważ centrum galaktyki jest wyjątkowo złożone i trudne w obserwacji, a astrofizycy wciąż nie wiedzą wystarczająco dużo o procesach zachodzących w tym obszarze.

Większość promieniowania gamma w Drodze Mlecznej powstaje w gazie między gwiazdami, rozświetlaną za pomocą promieni kosmicznych – naładowanych cząstek emitowanych podczas eksplozji supernowych. To prowadzi do powstania rozmytej poświaty promieniowania gamma rozciągającej się na całą galaktykę. Promieniowanie gamma emitowane jest także przez pozostałości po supernowych, pulsary – zapadnięte gwiazdy emitujące strumienie promieniowania gamma niczym kosmiczne latarnie morskie.

Dwa niedawne projekty badawcze realizowane przez zespoły z USA oraz z Holandii wskazują, że nadwyżka promieniowania gamma w centrum galaktyki jest punktowa, a nie gładka tak jak oczekiwalibyśmy tego po ciemnej materii – mówi Eric Charles z KIPAC, który także brał udział w opisywanych badaniach. Wyniki te wskazują, że promieniowanie pochodzi od źródeł punktowych, których nie możemy dostrzec jako poszczególne źródła za pomocą LAT, ponieważ gęstość źródeł promieniowania gamma jest bardzo wysoka, a rozmyta poświata jest najjaśniejsza właśnie w centrum galaktyki.

Pozostałości po dawnych gwiazdach

Najnowsze badania wynoszą wcześniejsze analizy na nowy poziom, dowodząc, że taki niejednorodny sygnał w zakresie promieniowania gamma zgodny jest z pulsarami.

Nadwyżka promieniowania gamma w centrum Drogi Mlecznej sprawiała, że naukowcy mieli nadzieję, że jest to sygnał pochodzący od ciemnej materii. Jednak taka sama poświata może mieć swoje źródło w pulsarach – szybko rotujących gwiazdach neutronowych o silnych polach magnetycznych (po prawej). Źródło: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Zważając na fakt, że około 70 procent wszystkich źródeł punktowych w Drodze Mlecznej to pulsary, to właśnie one były najbardziej prawdopodobnymi kandydatami –  mówi Di Mauro. Wykorzystaliśmy jedną z ich cech fizycznych aby dojść do naszych wniosków. Pulsary mają bardzo charakterystyczne widmo – emitowane prze nie promieniowanie zmienia się w charakterystyczny sposób wraz z energią emitowanego przez nie promieniowania gamma. Wykorzystując kształt tych widm, byliśmy w stanie stworzyć model poświaty centrum galaktyki zawierającego ok. 1000 pulsarów bez konieczności uwzględniania cząstek ciemnej materii.

Aktualnie zespół badawczy planuje dalsze obserwacje z wykorzystaniem radioteleskopów, kóre pozwolą określić czy zidentyfikowane źródła emitują swoje światło w serii krótkich pulsów – co jest charakterystyczną cechą pulsarów.

Odkrycia w halo gwiazd wokół centrum galaktyki – najstarszej części Drogi Mlecznej – odkrywają przed nami także szczegóły ewolucji naszej galaktyki, niczym wykopaliska, które archeologom mówią wiele o historii człowieka.

Izolowane pulsary zazwyczaj żyją ok. 10 milionów lat, czyli znacznie krócej niż najstarsze gwiazdy w pobliżu centrum galaktyki – mówi Charles. Fakt, że możemy wciąż obserwować promieniowanie gamma pochodzące z zidentyfikowanej populacji pulsarów wskazuje, że znajdują się one w układach podwójnych, w których drugim elementem są gwiazdy, z których pobierają one energię. To znacznie wydłuża czas życia pulsarów.

Ciemna materia znów nam umyka

Najnowsze wyniki to kolejny cios dla interpretacji mówiącej, że nadwyżka promieniowania gamma może mieć swoje źródło w ciemnej materii.

Symulowany rozkład źródeł promieniowania gamma w wewnętrznym regionie Drogi Mlecznej. W środku znajduje się centrum galaktyki. Mapa przedstawia pulsary w dysku galaktyki (czerwone gwiazdy) i w centralnym regionie galaktyki (czarne kółka). Źródło: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Gdyby sygnał pochodził od ciemnej materii, oczekiwalibyśmy go także w centrach innych galaktyk – mówi Digel. Taki sygnał powinien być szczególnie wyraźny w galaktykach karłowatych krążących wokół Drogi Mlecznej.  Galaktyki te mają stosunkowo mało gwiazd, zazwyczaj nie ma w nich pulsarów, a utrzymują swoją strukturę dzięki dużej ilości ciemnej materii. Niemniej jednak nie widzimy w nich żadnego szczególnego poziomu promieniowania w zakresie gamma.

Badacze uważają, że niedawno odkryta silna poświata w zakresie gamma w centrum Galaktyki w Andromedzie także może pochodzić od pulsarów, a n ie od ciemnej materii.

Jednak naukowcy nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa. Choć zespół Fermi-LAT przebadał duży obszar 40 stopni na 40 stopni wokół centrum Drogi Mlecznej (średnica tarczy Księżyca w pełni to zaledwie pół stopnia), ekstremalnie wysoka gęstość źródeł promieniowania w wewnętrznych czterech stopniach sprawia, że ciężko jest dostrzec pojedyncze źródła i tym samym wykluczyć obecność gładkiego rozkładu promieniowania gamma od ciemnej materii.

Powyższe badania finansowane były przez NASA, DOE Office of Science oraz agencje i instytuty naukowe z Francji, Włoch, Japonii i Szwecji.

Źródło: SLAC National Accelerator Laboratory

Artykuł naukowy: https://arxiv.org/abs/1705.00009