Původ tajemných gama paprsků Mléčné dráhy

Centrální oblast naší galaxie produkuje gama paprsky, ale astronomové stále debatují o tom, zda jsou zdrojem pulsary nebo temná hmota. Diskuse čelí tři nedávné studie.

Z našeho středu galaxie vyzařuje neočekávaný počet gama paprsků, protože astronomové dosud nechápou, co produkuje toto vysokoenergetické záření. Primární možnosti pokrývají spektrum exotických: gama pulsary versus částice temné hmoty. Nedávné studie vydláždily cestu pro pulsary a zúžily hrací pole temné hmoty.

Co je nadbytek gama-paprsku?

Koule ve tvaru koule ze středu naší galaxie, jak je vidět z kosmického dalekohledu Fermi, je položena na obraz Mléčné dráhy s viditelným světlem.
NASA / A. Mellinger / Central Michigan Univ. / T. Linden / Univ. z Chicaga

Velký dalekohled Fermi nejprve namaloval obrázek oblohy gama. Několik týmů vědců analyzujících Fermiho data odečítala od této mapy všechny známé zdroje, jako jsou pulsary, černé díry s hvězdnou hmotností a rozptýlené emise pocházející z mezihvězdného plynu. Ale i poté, co byl odstraněn každý zdroj, o kterém víme, naše galaktické centrum se stále objevilo jako jasná gama záře. (Galaxie Andromeda byla nedávno zjištěna, že má podobnou centrální záři.)

Některé skupiny navrhly, že paprsky gama mohly být produkovány srážkami částic tmavé hmoty. Na rozdíl od běžné hmoty jsou částice temné hmoty jejich vlastními částicemi antihmoty. Pokud se twain setká, zničí se navzájem a vytvoří gama paprsky a možná i další sekundární subatomické částice.

Přesto, vzhledem k tomu, že částice temné hmoty dosud nebyly v laboratoři detekovány (kde nejsou spatřeny kolizemi mezi sebou, ale vzácnými interakcemi s běžnou hmotou), mnoho vědců váhalo s přijetím tohoto vysvětlení. Pulsary, které také produkují gama paprsky, jsou výhodnou alternativou. Pulzary se však ukázaly jako neústupné: pokusy o jejich detekci na rádiových vlnových délkách v dostatečném počtu, aby bylo možné vysvětlit přebytek, selhaly.

Ilustrace umělce ukazují dva hlavní způsoby produkce paprsků gama: zničení částic tmavé hmoty (vlevo) a procesy, které se vyskytují v magnetických polích kolem rychle se točících pulsarů (vpravo).
Národní laboratoř Greg Stewart / SLAC

Pulsary gama paprsků

Nyní Mattia di Mauro, Eric Charles a Matthew Wood (SLAC National Accelerator Lab), stejně jako zbytek spolupráce Fermi-LAT, zveřejnili novou studii, která vybírá kandidáty na gama pulsar ze 7, 5 let analyzovaných pozorování Fermi pomocí nejnovějšího datového potrubí, známého jako „Pass 8.“ Příspěvek byl zaslán do Astrophysical Journal (předtisk je k dispozici zde).

Při pohledu do krabice zaměřené na střed galaxie, 40 ° na stranu, tým pečlivě vybral asi 100 bodových zdrojů, které pravděpodobně budou pulzary gama. Tyto pulsary představují špičku ledovce - existuje pravděpodobně mnohem více bodových zdrojů, které Fermi nedokáže vyřešit. Ale na základě toho, jak jsou tito pulsarští kandidáti rozmístěni na obloze, a na základě jejich jasů, tým dospěl k závěru, že dokážou snadno vysvětlit přebytek gama paprsku.

Simulovaná distribuce zdrojů gama paprsků ve vnitřní oblasti 40 stupňů až 40 stupňů Mléčné dráhy s galaktickým středem uprostřed. Mapa ukazuje pulsary v galaktickém disku (červené hvězdy) a v centrální oblasti galaxie (černé kruhy).
Spolupráce NASA / DOE / Fermi LAT

Je však důležité si uvědomit, že se jedná o kandidáty na pulsary - stále je třeba je potvrdit jako pulsary, a to detekcí pulzací v rádiu nebo gama paprsku.

Tansu Daylan (Harvardská univerzita), který navrhl vysvětlení temné hmoty pro přebytek gama paprsku, souhlasí s tím, že tato nová analýza je důležitá. "Nicméně, " dodává, "dokud nebudeme mít kuřácký podpis pro pulsary, myslím, že by obě hypotézy měly být považovány za životaschopné."

Další příspěvek přidává teoretickou podporu scénáře pulsar. V příspěvku publikovaném v Nature Astronomy 22. května (předtisk je k dispozici zde) Roland Crocker (Australian National University) a jeho kolegové modelují, jak by vypadala populace bílých trpaslíků v centru Mléčné dráhy.

Bílí trpaslíci jsou vyhořelé škvarky, které zůstanou, když zemřou méně hmotné hvězdy, jako je Slunce. Ale ne každý bílý trpaslík jde sám. Mnoho hvězd se spáruje v binárních souborech a jedna hvězda může skončit tím, že se živí - nebo dokonce zcela splyne - se svým partnerem. Nadbytečná hmota naklání bílého trpaslíka přes okraj a způsobí, že se zhroutí na rychle se otáčející neutronovou hvězdu. Tyto nové milisekundy pulsary by pak emitovaly paprsky gama. Výpočty provedené Crockerovým týmem říkají, že by jich mělo být spousta, dost vysvětlit nadbytek gama paprsku.

Dark Matter: Stále na stole

Tyto nové studie ponechávají omezené podmínky pro temnou hmotu. Di Mauro a jeho kolegové poznamenávají, že temná hmota nemůže vysvětlit vlastnosti kandidátů na gama pulsary, které pozorují, ačkoli to také nelze zcela vyloučit. Pokud by přebytek gama paprsků pocházel z temné hmoty, měli bychom vidět podobné emise z trpasličích galaxií. Zatím však spolupráce ve Fermi hlásila nulové detekce gama paprsků od 25 blízkých trpaslíků.

Proti posledně uvedenému bodu se však hovoří další studie, které uvádějí dvě předběžné detekce gama paprsků z trpasličích galaxií Reticulum II a Tucana III. A další studie, publikovaná Ming-Yang Cui (Čínská akademie věd a Nanjing University, Čína) a kolegy v dopisech Physical Review Letters (předtisk je k dispozici zde), tvrdí, že přebytek gama paprsku může být nakonec způsoben temnou hmotou.

Přebytek pozitronů při velmi vysokých energiích může být znakem zničení částic temné hmoty. Pulzary však nebyly vyloučeny jako možné vysvětlení.
Michele Famiglietti / AMS-02 Spolupráce / NASA / ESA / CERN

Tým Cui zkoumá data shromážděná pomocí Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), který shromažďuje údaje o částicích (a antičásticích) na palubě Mezinárodní vesmírné stanice. AMS mimo jiné měří příchozí pozitrony a antiprotony (antihmotové ekvivalenty elektronů a protonů). Při vysokých energiích existuje překvapivé množství pozitronů, což je podpis, který - stejně jako nadbytek gama paprsku - lze vysvětlit pulsary nebo částicemi temné hmoty.

Antiprotony je však obtížnější vysvětlit pomocí pulsarových procesů a také vykazují nadbytek při vyšších energiích. Cuiho tým zjistil, že částice temné hmoty s hmotností mezi 30 a 70 GeV mohou způsobit tento přebytek antiprotonu. Tato hmota je zase v souladu s částicemi temné hmoty, které by mohly být zodpovědné za přebytek pozitronů. A pokud by částice temné hmoty byly zodpovědné za nadbytek gama paprsku, musely by mít také hmotnosti kolem 50 GeV.

"Chceme zdůraznit, že důslednost neznamená správnou, " varuje studie spoluautor Qiang Yuan (Čínská akademie věd). Je ještě hodně práce, kterou je třeba udělat, dodává. Naštěstí experiment AMS má pokračovat tak dlouho, dokud zůstane Mezinárodní kosmická stanice v provozu, což by mělo být až do roku 2024.

I když temná hmota nedokáže vysvětlit excesy gama, pozitronů a antiprotonů, to neznamená, že to není skutečné - kosmický důkaz existence temné hmoty zahrnuje křivky rotace galaxií, vířivé shluky galaxií a slabá pozorování gravitačních čoček. Znamená to, že vědci se budou muset pokusit trochu těžší zachytit vlastnosti temné hmoty na něco, co lze jednoho dne zjistit přímo - nebo ne.