สสารมืดอาจเป็นแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาที่มาจากศูนย์กลางของทางช้างเผือก

Send

มีสิ่งลึกลับมากมายที่ใจกลางทางช้างเผือก หลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ในนั้นมีหัวหน้าหมู่พวกมันอยู่ แต่ก็มีปริศนาที่น่าสนใจอีกนั่นนั่นคือบริเวณที่ไม่คาดคิดของการปล่อยรังสีแกมม่าที่รุนแรง

การศึกษาใหม่แสดงให้เห็นว่าสสารมืดอาจอยู่เบื้องหลังการปลดปล่อย

มีแหล่งกำเนิดรังสีแกมม่าจำนวนมากในจักรวาลและส่วนใหญ่เข้าใจได้ดี Pulsars, magnetars และ quasars ล้วน แต่ผลิตรังสีแกมม่า แต่พวกมันสามารถอธิบายถึงรังสีแกมม่าที่มาจากใจกลางกาแลคซีของเราได้หรือไม่?

รังสีแกมมามีพลัง พวกเขาเป็นรูปแบบหนึ่งของการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผลิตโดยปรากฏการณ์ที่มีพลังมากที่สุดในจักรวาล พวกเขามีความยาวคลื่นสั้นที่สุดของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดและพลังงานโฟตอนสูงสุด

รังสีแกมมาที่ใจกลางหัวใจทางช้างเผือกเป็นที่รู้กันดีว่านักฟิสิกส์และพวกเขาเรียกมันว่าใจกลางกาแลคซี (GCE) เรารู้มากเกี่ยวกับทางช้างเผือกและความรู้นั้นได้ลดคำอธิบายสำหรับ GCE ลงไป ความเป็นไปได้ที่สำคัญสองประการ: ประชากรของพัลซาร์ซึ่งกำลังหมุนอย่างรวดเร็วของดาวนิวตรอนหรือสสารมืด นักฟิสิกส์คิดว่าถ้ามันเป็นสสารมืดมันจะมีอยู่ในก้อนเมฆหนาแน่นที่ใจกลางกาแลคซีชนกับตัวมันเองและทำลายล้างเพื่อสร้างรังสีแกมม่า

ในปี 2015 การศึกษาแสดงให้เห็นว่าแหล่งที่มาของ GCE นั้นเป็นพัลซาร์ในความเป็นจริงและสสารมืดไม่ได้เกี่ยวข้อง การศึกษาครั้งนี้มาจากทีมนักวิจัยจาก Princeton และ MIT รวมถึงศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ Tracy Slatyer พวกเขาใช้การสำรวจศูนย์กลางกาแลคซีที่ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศแกมม่า - แฟร์ Fermi พร้อมกับแบบจำลองที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดในทางช้างเผือกที่สามารถสร้างรังสีแกมม่าได้ พวกเขาสรุปว่า pulsars มีความรับผิดชอบ

แต่การศึกษาใหม่ที่เกี่ยวข้องกับ Slatyer จาก MIT ก็ดูเหมือนว่าจะคว่ำผลลัพธ์เหล่านั้นและชี้ไปที่สสารมืดในฐานะแหล่งที่มาของรังสีแกมมาทั้งหมด

การศึกษาใหม่นี้มีชื่อว่า“ การฟื้นคืนชีพของสมมุติฐานสสารมืดสำหรับกาแลคซีแกมมา - ศูนย์รังสีส่วนเกิน” และเผยแพร่ในจดหมายทบทวนทางกายภาพ ผู้เขียนคือเทรซี่ Slatyer จากศูนย์ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ MIT และ Rebecca Leane ของโรงเรียนวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสถาบันการศึกษาขั้นสูง การศึกษาของพวกเขาบอกว่ามีปัญหากับสิ่งที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้และผลลัพธ์นั้นไม่น่าเชื่อถือ สสารมืดที่ส่งผลต่อ GCE อาจไม่มีใครสังเกตเห็นได้

ความยากลำบากในการ จำกัด GCE ให้แคบลงไปถึงพัลซาร์หรือสสารมืดนั้นลงไปจนถึงวิธีการปล่อยโฟตอนและความสามารถทางเทคโนโลยีของเราในการตรวจจับ รังสีแกมม่าจากสสารมืดจะกระจายตัวในขณะที่จากพัลซาร์จะเป็นแหล่งกำเนิดของจุดที่เข้มข้น ในปี 2558 รังสีแกมม่าทั้งหมดปรากฏการกระจายตัว แต่อาจเป็นเพราะแหล่งที่มาของจุดปรากฏขึ้นในกล้องโทรทรรศน์ของเราซึ่งมีความละเอียดเชิงพื้นที่ จำกัด ในปี 2558 นักวิจัยสรุปว่า pulsars มีความรับผิดชอบ

ทางช้างเผือกแบนราบมากหรือน้อยโดยมีส่วนนูนอยู่ตรงกลาง รังสีแกมมาครอบครองพื้นที่ทรงกลมในศูนย์กลางประมาณ 5,000 ปีแสงในรัศมี วิธีการที่ Slatyer และเพื่อนร่วมงานของเธอพัฒนาขึ้นในปี 2558 พยายามแก้ไขหากพื้นที่ทรงกลมนี้“ ราบรื่น” หรือถ้าเป็น“ เม็ดเล็ก” เหตุผลของพวกเขาคือถ้าพัลซาร์เป็นแหล่งกำเนิดของรังสีแกมม่าดังนั้นรังสีแกมม่าเหล่านั้นควรทำให้บริเวณทรงกลมนั้นดูเป็นเม็ดเล็ก จะมีช่องว่างที่มืดระหว่างรังสีแกมมาที่ไม่มีแหล่งพัลซาร์

แต่ถ้ารังสีแกมมามาจากสสารมืดพื้นที่ทรงกลมก็จะราบรื่น "สายตาทุกเส้นไปยังใจกลางกาแลคซีอาจมีอนุภาคสสารมืดดังนั้นฉันไม่ควรเห็นช่องว่างหรือจุดเย็นในสัญญาณ" Slatyer อธิบาย

พวกเขาพัฒนาแบบจำลองที่คำนึงถึงสสารและก๊าซทั้งหมดในทางช้างเผือกและปฏิกิริยาของอนุภาคทั้งหมดที่สามารถสร้างรังสีแกมม่าได้ จากนั้นพวกเขาก็พิจารณาแบบจำลองสำหรับภูมิภาคทรงกลมของ GCE ที่มีลักษณะเป็นเม็ดหรือเรียบเนียนและเป็นวิธีการทางสถิติเพื่อบอกให้พวกเขาทราบ จากนั้นพวกเขาก็นำแบบจำลองนั้นและป้อนการสำรวจกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Fermi Gamma-ray ที่แท้จริงลงในนั้นเพื่อดูว่าการสำรวจนั้นสอดคล้องกับข้อมูลที่มีลักษณะเป็นเม็ดหรือเรียบ

หากการสำรวจมีลักษณะเป็นเม็ดเล็ก ๆ พัลซาร์สามารถอธิบายรังสีแกมมาได้ หากพวกมันเข้ากันได้อย่างราบรื่นสสารมืดก็สามารถอธิบายได้ รายละเอียดที่หยาบเป็นแบบที่ครอบงำ

“ เราเห็นว่ามันมีเม็ดสี 100 เปอร์เซ็นต์ดังนั้นเราจึงพูดว่า“ โอ้สสารมืดไม่สามารถทำเช่นนั้นได้ดังนั้นมันจะต้องเป็นอย่างอื่น” สลาเยอร์เล่า “ ความหวังของฉันคือว่านี่จะเป็นเพียงการศึกษาครั้งแรกของภูมิภาคกาแลคซีจำนวนมากโดยใช้เทคนิคที่คล้ายกัน แต่ในปี 2018 การตรวจสอบข้ามหลักของวิธีการยังคงเป็นสิ่งที่เราทำในปี 2558 ซึ่งทำให้ฉันค่อนข้างกังวลว่าเราอาจจะพลาดอะไรบางอย่างไป”

ในที่สุด Slatyer และ Leane ตัดสินใจทดสอบโมเดล Slatyer กังวลว่ามันอาจจะไม่แข็งแรงพอ พวกเขาตัดสินใจที่จะสร้างแผนที่ "ปลอม" บนท้องฟ้ารวมถึงสัญญาณสสารมืดและพัลซาร์ที่ไม่เกี่ยวข้องกับ GCE พวกเขาป้อนเข้าสู่แบบจำลองและแม้ว่าข้อมูลของพวกเขาจะมีสัญญาณสสารมืดปลอม แต่แบบจำลองสรุปว่ามันเป็นเม็ดเล็กและดังนั้นจึงมีอิทธิพลเหนือพัลซาร์ ตามหลักฐานของ Slatyer นั่นเป็นข้อพิสูจน์ว่าแบบจำลองของพวกเขานั้นไม่น่าเชื่อถือและยังมีช่องว่างสำหรับสสารมืดที่จะมีบทบาทใน GCE

“ ถ้ามันเป็นสสารมืดจริง ๆ นี่จะเป็นหลักฐานแรกของสสารมืดที่มีปฏิสัมพันธ์กับสสารที่มองเห็นได้ผ่านทางกองกำลังอื่น ๆ
Rebecca Leane ผู้แต่งร่วมโรงเรียนวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสถาบันการศึกษาขั้นสูง

จากนั้นเพื่อนร่วมงานคนหนึ่งแนะนำว่านักวิจัยเพิ่มสัญญาณสสารมืดปลอมรวมกับการสังเกตของแฟร์มี่เพื่อทดสอบแบบจำลองของพวกเขาแทนที่จะใช้แผนที่พื้นหลังปลอม

พวกเขาทำเช่นนั้นและแบบจำลองทางสถิติของพวกเขาล้มเหลวในการทดสอบ แม้จะมีสัญญาณสสารมืดที่ราบรื่น พวกเขาขยายสัญญาณสสารมืดถึงสี่เท่าของขนาด GCE จริงและโมเดลของพวกเขาก็ยังไม่สามารถตรวจจับได้

““ ตามขั้นตอนนั้นฉันตื่นเต้นมากเพราะฉันรู้ว่านัยยะนั้นใหญ่มาก - นั่นหมายความว่าสสารมืดอธิบายอยู่บนโต๊ะ” ลีนกล่าว

หากผลลัพธ์ล่าสุดเหล่านี้ถูกต้องแสดงว่าเป็นเรื่องใหญ่

“ ถ้ามันเป็นสสารมืดจริง ๆ นี่จะเป็นหลักฐานแรกของสสารมืดที่มีปฏิสัมพันธ์กับสสารที่มองเห็นผ่านกองกำลังอื่นที่ไม่ใช่แรงโน้มถ่วง” ลีนกล่าว “ ธรรมชาติของสสารมืดเป็นหนึ่งในคำถามเปิดที่ใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์ในขณะนี้ การระบุสัญญาณนี้ว่าสสารมืดอาจทำให้เราเปิดเผยตัวตนพื้นฐานของสสารมืดในที่สุด ไม่ว่าส่วนเกินจะออกมาเป็นอย่างไรเราจะเรียนรู้สิ่งใหม่เกี่ยวกับจักรวาล”

“ มันน่าตื่นเต้นที่เราคิดว่าเราได้ขจัดความเป็นไปได้ที่สสารมืดนี้” สลาเยอร์กล่าวในการแถลงข่าว “ แต่ตอนนี้มีช่องโหว่ข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบในการอ้างสิทธิ์ที่เราทำ มันเปิดประตูอีกครั้งเพื่อให้สัญญาณมาจากสสารมืด”

ผลลัพธ์ใหม่นี้ถูกตีพิมพ์ในฉบับวันที่ 11 ธันวาคมของวารสาร Physical Review Letters