Oamenii de știință cred că strălucirea misterioasă din galaxia noastră ar putea proveni din materia întunecată. Ce înseamnă asta

În centrul galaxiei noastre, există o strălucire difuză și misterioasă, emisă de razele gamma – radiații puternice emise de obicei de obiecte cu energie înaltă, cum ar fi stelele care se rotesc rapid sau explodează.

Telescopul spațial Fermi Gamma-ray al NASA a detectat strălucirea la scurt timp după lansare, în 2008, iar lumina i-a nedumerit pe oamenii de știință de atunci, determinând speculații cu privire la cauza acesteia.

Unii astronomi cred că sursa strălucirii sunt pulsarii – rămășițele rotative ale stelelor care au explodat – în timp ce alții indică coliziunea particulelor de materie întunecată, o formă evazivă și invizibilă de materie, despre care se crede că este de cinci ori mai abundentă decât materia obișnuită.

Multe studii au găsit anterior argumente care să susțină ambele idei, dar se pare că există o problemă cu teoria materiei întunecate: strălucirea razelor gamma părea să se potrivească cu forma umflăturii galactice – o regiune aglomerată și bulboasă din centrul Căii Lactee, alcătuită în mare parte din stele vechi, inclusiv pulsari. Această observație părea să susțină teoria pulsarilor, experții susținând că strălucirea ar fi luat o formă mai sferică dacă sursa sa ar fi fost materia întunecată. Cu toate acestea, astronomii nu au reușit să observe suficiente pulsari care ar produce razele gamma pentru a face o evaluare concludentă.

Acum, noi simulări realizate cu ajutorul supercomputerelor arată pentru prima dată că și coliziunile materiei întunecate ar fi putut crea strălucirea în formă de umflătură, adăugând greutate teoriei materiei întunecate.

„Ne aflăm în situația în care avem două teorii, una care susține că materia întunecată ar putea explica datele pe care le vedem, cealaltă despre stele vechi”, a declarat Joseph Silk, profesor de fizică și astronomie la Universitatea Johns Hopkins și coautor al unui studiu care detaliază noile descoperiri, publicat joi în revista Physical Review Letters.

„Există o probabilitate de 50% ca în acest moment să fie vorba de materie întunecată, spre deosebire de explicația puțin mai banală a stelelor vechi, în opinia mea.”

Dovezile existenței materiei întunecate ar reprezenta o descoperire revoluționară. Astronomul elvețian Fritz Zwicky a emis pentru prima dată teoria existenței materiei întunecate în anii 1930, iar astronomii americani Vera Rubin și W. Kent Ford au confirmat-o în anii 1970. Aceștia au observat că stelele care orbitează la marginea galaxiilor spirale se mișcau prea repede pentru a fi ținute împreună doar de materia vizibilă și gravitație și au postulat că există o cantitate mare, nevăzută, de materie care le împiedică să se despartă. În ciuda deceniilor de eforturi, oamenii de știință nu au observat niciodată direct această substanță misterioasă, de unde și numele său.

Vera Rubin a descoperit în anii 1970 că cea mai mare parte a universului este alcătuită din „materie întunecată”.

„Nu există nicio îndoială că natura materiei întunecate este una dintre problemele majore nerezolvate ale fizicii”, a spus Silk. „Este ceva care este peste tot – aproape de noi, departe de noi, și pur și simplu nu știm ce este.”

Vânătoarea de particule WIMP
Există numeroase ipoteze despre ce ar putea fi materia întunecată, inclusiv rămășițe ale găurilor negre primordiale sau un tip de particulă nedescoperită. O mare parte din eforturile de a găsi materia întunecată s-au concentrat pe ultima idee, ceea ce a dus la construirea unor detectoare precum Experimentul LZ pentru Materie Întunecată din Dakota de Sud.

Instrumentul este conceput pentru a detecta una dintre principalele particule candidate la materia întunecată, particule ipotetice numite WIMP-uri – Weakly Interacting Massive Particles – care nu absorb lumina și pot trece prin materia obișnuită aproape fără probleme. Oamenii de știință cred că atunci când două WIMP-uri se întâlnesc, se anihilează reciproc și produc raze gamma, ceea ce le-ar face o sursă plauzibilă de strălucire.

Studiul lui Silk a folosit supercomputere pentru a crea o hartă a locului unde ar trebui să se afle materia întunecată în Calea Lactee, ținând cont de modul în care s-a format inițial galaxia.

„Problema a fost că toate modelele din ultimii 20 de ani privind materia întunecată din galaxia noastră presupun că este practic ca o bilă sferică. Nu are nicio formă, deoarece acesta a fost cel mai simplu model”, a spus Silk.

„Contribuția noastră a fost, pentru prima dată, realizarea unei simulări computerizate reale a distribuției materiei întunecate. Și iată că am descoperit că partea centrală a materiei întunecate, unde ar fi emise razele gamma, este, de fapt, comprimată – mai degrabă în formă de ou.” Această formă comprimată se potrivește foarte bine cu datele telescopului Fermi, a explicat Silk.

Telescopul spațial Fermi Gamma-ray al NASA, prezentat aici, scanează întregul cer la fiecare trei ore în timp ce orbitează Pământul.

Din fericire, confirmarea legăturii dintre materia întunecată și strălucire s-ar putea să nu fie prea departe. Un nou instrument, Observatorul Telescopului Cherenkov sau CTAO, este în construcție în două locații – unul în Chile și altul în Spania – și va începe să furnizeze date încă din 2027. CTAO va detecta razele gamma la o rezoluție mult mai mare decât Fermi, a spus Silk, ceea ce va face posibilă determinarea dacă razele gamma din centrul Căii Lactee sunt produsul coliziunilor materiei întunecate.

Această descoperire ar reprezenta un progres în căutarea substanței evazive, a adăugat el, și ar oferi totodată dovada că cel puțin o parte din materia întunecată este alcătuită din WIMP-uri. Dacă, dimpotrivă, CTAO nu leagă strălucirea de materia întunecată, oamenii de știință ar fi revenit la punctul de plecare în căutare, toate opțiunile rămânând disponibile.

Un secret fundamental

Studiul ajută la redeschiderea posibilității ca materia întunecată să explice strălucirea din centrul galactic, deși nu oferă noi dovezi pozitive în favoarea materiei întunecate, a declarat Tracy Slatyer, profesor de fizică la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, care nu a fost implicată în studiu. Cu toate acestea, ea nu este convinsă că există o potrivire definitivă între forma distribuției materiei întunecate și umflătura stelară. „Am crezut că ipoteza materiei întunecate era încă rezonabilă chiar și înainte de acest studiu”, a adăugat ea.

Această lucrare susține în continuare efortul internațional de a continua căutarea WIMP-urilor, potrivit lui Chamkaur Ghag, profesor de fizică și astronomie la University College London, care, de asemenea, nu a participat la cercetarea lui Silk. „Acestea rămân o soluție extrem de elegantă la problema de lungă durată a materiei întunecate”, a adăugat Ghag prin e-mail, menționând că, având în vedere și mai multe detectoare pentru WIMP-uri în curs de dezvoltare, observarea semnalelor de anihilare a acestor particule în spațiu ar însemna rezolvarea puzzle-ului vechi de aproape un secol al materiei întunecate.

Detectorul central al Experimentului LZ Dark Matter, situat la Centrul de Cercetare Subteran Sanford din Dakota de Sud, văzut aici înainte de a fi plasat în subteran.

Nico Cappelluti, profesor asociat în cadrul departamentului de fizică al Universității din Miami, a declarat că telescopul Fermi a schimbat radical regulile jocului pentru NASA, iar această lucrare arată că materia întunecată este încă în cursa pentru a explica strălucirea stranie din centrul galaxiei noastre. „Acest mister este viu și este genul care îi ține pe oamenii de știință ca mine treji noaptea”, a spus Cappelluti, care nu a participat la studiu.

„Descoperirea materiei întunecate a fost căutarea științifică a secolului nostru”, a adăugat el, menționând că „WIMP-urile, aceste particule ipotetice, au fost principalii noștri suspecți ani de zile”. Faptul că experimentele de pe Pământ nu le-au prins încă este frustrant, a spus el.

„Dar Fermi ne oferă un motiv să continuăm să credem. Această lucrare ne amintește să nu ștergem încă WIMP-urile de pe listă – ele ar putea încă să lumineze centrul galaxiei noastre”, a spus Cappelluti. „Și dacă acest lucru este adevărat, suntem mai aproape ca niciodată de a descoperi un secret fundamental al universului.”