Astronaujiena. Tamsioji materija Galaktikos centre?

Prieš porą mėnesių pasklido žinia (Visatos kąsnelyje – taip pat), kad astronomai aptiko aiškų tamsiosios materijos signalą mūsų Galaktikos centre. Toks signalas būtų puikus, nors ir netiesioginis, įrodymas, kad tamsioji materija egzistuoja, taip pat leistų nustatyti įvairias jos savybes. Bet dabar paaiškėjo, kad stebėjimų duomenis interpretuoti galima ir kitaip, taigi tamsiosios materijos signalo patvirtinimo turbūt dar teks palaukti. Bet apie viską iš pradžių.

Kas atrasta

Panašių atradimų yra buvę ne vienas ir ne du, konkrečiai remiuosi šiuo moksliniu straipsniu. Bandomo aptikti fizikinio proceso idėja gana paprasta. Didžioji Visatos medžiagos dalis yra nematoma, „tamsioji“. Ji greičiausiai sudaryta iš dalelių, kurios nesąveikauja elektromagnetiškai; bendrai tos dalelės vadinamos WIMPais (Weakly Interacting Massive Particle). Jos sąveikauja gravitaciškai – tai yra aiškiausias jų poveikis aplinkai. Taip pat jos gali sąveikauti tarpusavyje – susidurti ir anihiliuoti viena kitą, išspinduliuodamos porą gama spindulių (susidūrusios dalelė ir antidalelė viena kitą visada panaikina, iš principo šitas procesas nėra kažkuo unikalus). Susidūrimai tuo dažnesni, kuo didesnis tamsiosios materijos tankis. Na, o tankis didžiausias yra galaktikų centruose, taigi šitų susidūrimų požymio – gama spindulių žibėjimo – ieškoti verta būtent ten. Pasižiūrim į Galaktikos centrą, pamatome gama spinduliuotę, radome tamsiąją materiją.

Bet ne taip greitai. Gama spindulius skleidžia ir daug įvairių kitų šaltinių. Pavyzdžiui, neutroninės žvaigždės, ypač dvinarėse sistemose. Juodosios skylės dvinarės sistemose. Supernovų sprogimų liekanos, sąveikaujančios su aplinkinėmis dujomis. Žybsniai Galaktikos centre, prie pat supermasyvios juodosios skylės. Taigi gama spindulių Galaktikos centre tikrai netrūksta. Laimė, daugumą šaltinių galima identifikuoti ir pašalinti jų signalus. Būtent tokia analizė ir buvo atlikta (ne vien šiame straipsnyje, bet šįkart – tiksliausia) ir aptiktas statistiškai reikšmingas (gerokai daugiau nei 3 sigmos) išplitęs signalas. Signalas (gama spindulių „migla“) yra sferiškai simetriškas, stipriausias pačiame centre ir silpstantis į kraštus. Jį paaiškinti būtų galima tamsiosios materijos dalelių, kurių masė yra 31-40 GeV (gigaelektronvoltų; protono ir neutrono masės yra arti 1 GeV), tarpusavio susidūrimais ir anihiliacija.

Kairėje - gama spindulių signalas, kokį matė Fermi teleskopas. Dešinėje - tas pats signalas, atmetus žinomus gama spindulių šaltinius. Centre lieka akivaizdus maždaug apskritiminis rūkas. ©Daylan et al. 2014

Kaip matome, rezultatas ne tik leidžia sakyti, kad tamsiosios medžiagos anihiliacija Galaktikos centre vyksta, bet ir nustatyti kai kurias tikėtinas tamsiosios medžiagos dalelių savybes.

Kas negerai

Visgi, atradime yra viena problema. Tirdami galimus netamsiamaterinius gama spindulių signalo šaltinius, autoriai neįvertino to, kad sąlygos Galaktikos centre nėra statiškos, o kinta laikui bėgant. Turiu omeny ne sekundžių eilės dydžio pokyčius dėl pulsarų sukiojimosi – tai yra įvertinta. Turiu omeny ir ne milijardus metų trunkančius pokyčius dėl Galaktikos žvaigždžių populiacijos evoliucijos. Svarbūs yra kartais – gal kas šimtus, gal kas milijonus metų – įvykstantys centrinės supermasyvios juodosios skylės suaktyvėjimai. „Aktyvumas“ čia reiškia tai, kad juodoji skylė sparčiai ryja aplinkinę medžiagą ir spinduliuoja daug įvairios spinduliuotės (nuo radijo iki gama spindulių). Šiuo metu mūsų juodoji skylė yra visiškai neaktyvi, medžiagą ryja milijardus kartų lėčiau, nei galėtų (ir dėl to, kad medžiagos rijimui nėra, ir dėl to, kad esanti medžiaga lėtai krenta į centrą), bet taip tikrai nebuvo visą laiką. Egzistuoja įvairių įrodymų (pvz.), kad praeityje centrinė juodoji skylė buvo žymiai aktyvesnė. Net ir prieš keletą šimtų metų jos šviesis galėjo būti apie milijoną kartų didesnis, nei dabartinis. Prieš keletą milijonų metų ji savo spinduliuote galėjo nustelbti visą likusią Galaktiką.

Ar ilgai išlieka tokio aktyvumo periodo pėdsakai? Priklauso nuo to, kaip pažiūrėsi. Šviesa juda 300 tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu ir centrinėse Galaktikos dalyse jos nebelieka per keletą dešimtmečių; visgi tai leidžia nustatyti, kas ten vyko prieš šimtą metų ir vėliau. Dinaminiai poveikio pėdsakai – dujų judėjimo pokyčiai – gali išlikti ir milijonus metų, nors Galaktikos centre per tiek laiko šitas pėdsakas jei ir nepranyksta, tai yra užgožiamas kitų.

O kaip su kosminiais spinduliais? Tai yra labai didelės energijos masyvios dalelės (t.y. ne fotonai), kurias irgi išspinduliuoja aplink aktyvią juodąją skylę esanti medžiaga. Šitos dalelės užpildo Galaktikos centrą; kai kurios išlekia iš jo tolyn, kitos lieka ir po truputį anihiliuoja tarpusavyje bei spinduliuoja tuos pačius gama spindulius. Ir štai grupė mokslininkų apskaičiavo, ar galima būtų tą gama spindulių miglą, kuri aiškinama tamsiosios materijos anihiliacija, paaiškinti iš didelės energijos elektronų anilihiliacija. Pasirodo, tikrai įmanoma – prieš milijoną metų įvykęs centrinis žybsnis, kurio metu sukurta elektronų populiacija, turinti iš viso apie $$10^{52}$$ ergų enerijos (tiek energijos centrinė juodoji skylė žybsnio metu galėtų išspinduliuoti vos per vienerius metus; tiesa, ne visa šita energija būtų panaudota elektronams įgreitinti), galėtų vis dar kurti pakankamai gama spindulių. Tai nėra vienintelis įmanomas sprendinys – panašią gama spinduliuotę galėtų kurti ir didelės energijos protonai, arba senesnio energingesnio žybsnio liekana. Bet išvada vis tiek nesikeičia – matomą gama spindulių signalą paaiškinti įmanoma praeityje įvykusiu juodosios skylės žybsniu, o ne (tik) tamsiosios materijos dalelių anihiliacija.

Išvada

Šis rezultatas svarbus ne tik tuo, kad paaiškina konkretų gama spindulių signalą konkrečioje aplinkoje ir pateikia alternatyvią hipotezę apie signalo šaltinį. Visų pirma, pamirštant apie tamsiamaterinę interpretaciją, šis tyrimas parodo, kad egzistuoja dar vienas pėdsakas, rodantis juodosios skylės aktyvumą prieš keletą milijonų metų. Ankstesni tokie pėdsakai buvo Fermi burbulai, jaunos žvaigždės Galaktikos centre, netgi aplink Galaktiką besisukančio Magelano srauto dujų sužadinimas. Dabar prisideda ir kosminiai spinduliai Galaktikos centre. Per artimiausius porą metų turėtų paaiškėti, ar įmanoma šituos pėdsakus paaiškinti vienu aktyvumo epizodu; jei tai pavyks, tai turėtų būti detaliausias ir giliausias žvilgsnis į mūsų Galaktikos praeitį.

Kita rezultato svarba yra labiau filosofinė. Mums dažnai atrodo, kad astronomija yra mokslas apie labai lėtai kintančius dalykus. Taip lėtai, kad žmogus per gyvenimą tokių pokyčių tikrai nepamatys. Ir daugeliu atvejų tai yra tiesa. Žinoma, yra ir procesų, kurie vystosi žmogiškomis arba trumpesnėmis laiko skalėmis – supernovų sprogimai, egzoplanetų sukimaisi aplink žvaigždes ir pan. Bet labai svarbu nepamiršti, kad procesai, vykę prieš daugybę metų ir daugybę žmonių gyvenimų (arba net ir taip seniai, kai žmonių dar net nebuvo), palieka pėdsakus, ir tie pėdsakai gali būti matomi ir šiandien. Taigi net ir tokių lėtų pokyčių negalima pamiršti, interpretuojant astronominius stebėjimus.

Laiqualasse

7 komentarai

  1. Ji greičiausiai sudaryta iš dalelių, kurios nesąveikauja elektromagnetiškai; bendrai tos dalelės vadinamos WIMPais (Weakly Interacting Massive Particle).
    Uzkliuvo. Lyg ir ne tik WIMP’ai nesaveikauja elektromagnetiskai.

    1. Nesu tikras. WIMPai gali būti labai įvairūs dalykai – ir supersimetrijos išdavos neutralinai, ir aksionai, ir dar gyvas velnias visko. Ir visi jie nesąveikauja elektromagnetiškai.

      1. Ech terminai…
        WIMP – Its name comes from the fact that obtaining the correct abundance of dark matter today via thermal production requires a self-annihilation cross section of , which is roughly what is expected for a new particle in the 100 GeV mass range which interacts via the electroweak force.

        Characteristics:
        Large mass compared to standard particles (WIMPs with sub-GeV masses may be considered to be light dark matter).

        Axion mass: 10−6 to 1 eV/c2. Kazkiek tukstanciu kartu maziau nei pacio elektrono. Taigi cia tikrai ne wiMp.
        Ir siaip WIMP teorija sugalvojo tik kaip paaiskint dark matter, neinteraktinanciu daleliu elektromagnetiskai buvo ir seniau. Beto dar ir kiek prifantazuota, kurios tikrai nera WIMP’ai. Siaip lyg ir betkuri elementari dalele kuri turi 0 charge, nesaveikauja elektromagnetiskai, tai yra gluonai, neutrinai, axion’ai, higso bozonai ir pan.

        1. Fair enough, mano klaida čia. Kažkaip anksčiau maniau, kad „Massive“ yra ta prasme, kad ne massless, o ne kad masyvesnė už protonus ir pan.

          1. Cia noretusi riebiai nusikeikt :) Fizikai tikrai nepasizymi geru naming convension’u. Netik massive zodis kliuna wimp, bet ir weakly, neina suprast ar saveikauja mazai, ar elektroweakly interaktiskai. Dark matter kuri nebutinai matter, dark energy kuri nebutinai energy, nedalimas atomas kuris buvo sudalytas, juodos skyles kurios nera visiskai juodos, kvarku pavadinimai is vis logikos neturi, pats kvarko zodis is eilerascio paimtas, hublo konstanta kuri kinta ir t.t. Butu mano valia ismesciau visus tokius pavadinimus, taip pat is dabar turimu simtu unitu palikciau tik planko, ir moksliniuose darbuose neleisciau kitokiu naudot.
            Taip pat palikciau tik viena dokumento formata, kuris prasidetu zodziais „Hi Myslius!“

            1. Man patiko šitas rant’as :) Šiaip su juo sutinku – ir dėl massive, ir dėl weakly, ir dėl energy, ir dėl atomo, ir dėl j.s. Kvarkų pavadinimai manęs nekonfūzina, nes yra visiškai nesusiję su jokia fizika, tai ok. Hablo konstanta šiais laikais jau dažniau vadinama parametru, tai irgi netrukdo. Dark matter visgi yra matter, nes alternatyvūs aiškinimai nesivadina dark matter, o vadinasi kaip nors modified something.

        2. Then again, kurį laiką buvo manoma, kad WIMPai gali būti neutrinai (pvz.). O jie tikrai lengvesni už standartines elementariąsias daleles.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *