NASA расширяет миссию Ферми для поиска темной материи

Темная материя, загадочное вещество, которое составляет большую часть материальной Вселенной, остается совершенно неуловимой. И хотя эксперименты на земле и в космосе пока не нашли его следов, их результаты помогают ученым исключить множество теоретических возможностей. В начале этого года было опубликовано три исследования, использующих данные гамма-лучевого космического телескопа Ферми NASA, собранные за шесть лет, и NASA расширяет его миссию по поиску темной материи, используя новаторский подход.

«Мы искали обычные вещи в обычных местах и не нашли ничего интересного, поэтому начали искать совершенно по-новому, — говорит Джули Макэнери, ученый проекта «Ферми» в космическом центре им. Годдарда при NASA в Гринбелте, штат Мэриленд. — Руководствуясь нашими результатами, «Ферми» исключил множество кандидатов и выяснил, что темная материя способствует образованию лишь небольшой части гамма-лучевого фона за пределами нашей галактики Млечный Путь, а также определили сильные ограничения для частиц темной матери во второй по размерам галактике на орбите нашей».

Темная материя не излучает и не поглощает свет, взаимодействуя с остальной частью Вселенной посредством гравитации, но при этом на ее счет приходится порядка 80% материи во Вселенной. Астрономы наблюдают ее проявления по всему космосу: во вращении галактик, в искажении света, проходящего через галактические скопления, и в моделировании ранней вселенной, которая нуждалась в наличии темной материи, чтобы галактики вообще имели возможность сформироваться.

Ведущие кандидаты на роль темной материи представлены гипотетическими частицами разных классов. Ученые полагают, что гамма-лучи, форма света наибольшей энергии, могут помочь выявить наличие некоторых типов предполагаемых частиц темной материи. Ранее «Ферми» искал гамма-лучевые сигналы, связанные с темной материей, которые могли бы о ней рассказать, в центре нашей галактики и в небольших карликовых галактиках на орбите нашей собственной. Хотя не было обнаружено никаких убедительных сигналов, эти результаты убрали кандидатов из определенного диапазоне масс и темпов взаимодействия, еще больше сужая диапазон возможных свойств частиц темной материи.

Среди новых исследований, самое экзотическое исследует вероятность того, что темная материя может состоять из гипотетических частиц под названием аксионы или других частиц с похожими свойствами. Интригующий аспект аксионо-подобных частиц заключается в их способности превращаться в гамма-лучи и обратно при взаимодействии с сильными магнитными полями. Это преобразование, по идее, должно оставлять характерные следы вроде пробелов и полос в спектре яркого источника гамма-лучей.

Мануэль Мейер из Стокгольмского университета руководил поиском этих эффектов в гамма-лучах от NGC 1275, центральной галактики скопления Персей, расположенной в 240 миллионах световых лет от нас. Высокоэнергетические выбросы от NGC 1275, как полагают, связаны со сверхмассивной черной дырой в ее центре. Как и все скопления галактик, скопление Персея наполнено горячим газом, пронизанным магнитными полями, которые могли бы активировать переход от гамма-лучей к аксионо-подобным частицам. То есть некоторые гамма-лучи от NGC 1275 могли бы превращаться в аксионы — и, возможно, обратно — на пути к нам.

Группа Мейера собирала наблюдения телескопа LAT проекта Ферми и искала предсказанные искажения в гамма-лучевом сигнале. Их выводы, опубликованные 20 апреля в Physical Review Letters, исключили небольшой диапазон аксионо-подобных частиц, которые могли бы составить 4% темной материи.

«Хотя мы пока не знаем, чем является темная материя, наши результаты показывают, что мы можем проверять аксионо-подобные модели и накладывать самые серьезные ограничения на сегодняшний день для определенных масс, — говорит Мейер. — Что примечательно, мы достигли чувствительности, которая, как мы думали, могла быть возможна лишь при проведении отдельного лабораторного эксперимента: это хороший показатель для «Ферми».

Другой широкий класс кандидатов на темную материю — это вимпы, слабо взаимодействующие массивные частиц (WIMP). В некоторых версиях столкновение вимпов взаимно уничтожает их или производит промежуточную, быстро распадающуюся частицу. Оба сценария приводит к гамма-лучам, которые могут быть обнаружены LAT.

Регина Капуто из Университета Калифорнии в Санта-Крус искала эти сигналы в Малом Магеллановом Облаке (ММО), которое находится в 200 000 световых годах от Земли и является второй по величине из малых спутниковых галактик Млечного Пути. Часть привлекательности ММО для поиска темной материи лежит в том, что оно находится относительно близко к нам, а его гамма-лучевое излучение из традиционных источников, вроде образующихся звезд и пульсаров, хорошо изучено. Что более важно, астрономы произвели высокоточные измерения кривой вращения ММО, которая показала, как его вращательная скорость меняется по мере удаления от центра и сколько в нем присутствует темной материи. В работе, опубликованной 22 марта в Physical Review D, Капуто и ее коллеги смоделировали содержание темной материи в ММО и показали, что оно достаточно велико, чтобы произвести обнаружимые сигналы для двух типов вимпов.

«LAT определенно видит гамма-лучи ММО, но мы можем объяснить все традиционными источниками, — говорит Капуто. — Отсутствие сигналов аннигиляции темной материи оказалось статистически значимым».

В третьем исследовании ученые под руководством с Марком Аелло из Университете Клемсона в Южной Каролине и Маттиа Ди Мауро из Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии решили пойти в другом направлении. Вместо того чтобы смотреть на конкретные астрономические цели, команда взяла за основу анализа данные LAT, собранные за 6,5 лет, и проанализировала фоновое свечение гамма-лучей по всему небу.

Природа этого света, внегалактического гамма-лучевого фона (EGB), обсуждается с момента первого его измерения NASA SAS-2 в начале 1970-х. «Ферми» показал, что большая часть этого света рождается в относительно редких источниках гамма-лучей, блазарах, которые подпитываются материалов, падающим в гигантские черные дыры. На блазары приходится больше половины всех гамма-лучевых источников, которые видел «Ферми», и они составляют еще большую долю в новом каталоге высокоэнергетических гамма-лучей, составленном LAT.

Некоторые модели предсказывают, что гамма-лучи (EGB) могут возникать из далеких взаимодействий частиц темной материи, вроде аннигиляции или распада вимпов. В подробном анализе высокоэнергетических гамма-лучей EGB, опубликованном 14 апреля в Physical Review Letters, Аелло и его команда показали, что блазары и другие дискретные источники могут объяснить почти все это излучение.

«Остается очень мало места для сигналов из экзотических источников внегалактического гамма-лучевого фона, что, в свою очередь, означает, что любой вклад этих источников будет относительно небольшим, — говорит Аелло. — Эта информация может помочь нам установить пределы на то, как часто частицы-випы могут сталкиваться или распадаться.

Хотя все эти недавние исследования остались с пустыми руками, поиск темной материи продолжается как в космосе, так и на земле. «Ферми» добавил к этим поискам Alpha Magnetic Spectrometer NASA, детектор частиц на Международной космической станции.