Nové důkazy o temné hmotě v jádře naší galaxie
Analýza patnácti let dat z observatoře Fermi odhalila difuzní halo gama záření ve středu Mléčné dráhy, jehož vlastnosti odpovídají predikcím pro anihilaci tajemné složky kosmu. V pokroku, který by mohl znamenat zlom v našem chápání vesmíru, tým vědců z Tokijské univerzity identifikoval emisní gama záření směřující na centrum naší galaxie, které vykazuje všechny charakteristiky, jež byly po desetiletí přisuzovány temné hmotě.
Tento objev, který je výsledkem pečlivé analýzy třinácti let pozorování, naznačuje, že bychom mohli být svědky prvních přímých důkazů o této neviditelné látce, která tvoří přibližně 85 % celkové hmotnosti kosmu. Její původ zůstává jednou z nejhlubších záhad moderní fyziky téměř celé století.
Studie vedená profesorem Tomonori Totanim z Astronomického oddělení Tokijské univerzity se zaměřila na data získaná pomocí Fermiho gama observatoře, která byla uvedena do provozu NASA v roce 2008. Analýza ukázala přítomnost slabého a rozsáhlého světla fotonů gama s charakteristickou energií kolem 20 gigaelektronvoltů (GeV), jež se rozprostírá a tvoří difuzní halo na ploše více než 30 stupňů v obloze, přičemž centrem je jádro Mléčné dráhy.
Význam tohoto objevu
Hlavní význam tohoto nálezu spočívá v tom, že prostorová morfologie, energetické spektrum a intenzita této radiace se pozoruhodně shodují s teoretickými předpověďmi pro anihilaci těžkých slabě interagujících částic (WIMP), které patří mezi nejsilnější kandidáty na složku temné hmoty. Pokud by byla potvrzena její podstata, lidstvo by poprvé nahlédlo do stopy látky, která ačkoli nevydává ani nepohltí světlo, řídí dynamiku galaxií prostřednictvím své gravitační síly.
Hledání kosmického ducha
Hledání temné hmoty byla překážková dráha plná odmítnutých hypotéz a nejasných signálů. Estrategie detekce vysokoenergetických fotonů generovaných, když se dvě částice temné hmoty srazí a vzájemně se anihilují, byla jednou z nejvíce slibných cest. Očekává se, že tento proces bude častější v oblastech s vysokou hustotou těchto částic, jako je jádro galaxií, kde se předpokládá, že temná hmota vytváří obrovské sférické halo obklopující viditelný galaktický disk.
Ale pozorování tohoto slabého záblesku je maskováno ohromujícím pozadím radiace z jiných konvenčních astrofyzikálních zdrojů. Galaktická rovina, posetá neutronovými hvězdami, zbytky supernov a jinými objekty, vyzařuje intenzivní a komplexní mlhu gama záření, která může snadno skrýt slabý podpis temné hmoty. Klíč k úspěchu v této studii spočíval tedy ve velmi pečlivé analýze, která oddělila hledaný signál od veškerého tohoto pozadí.
Tým profesora Totaniho se zaměřil na oblast o 60 stupních soustředěnou na jádro Mléčné dráhy, ale vyloučil z analýzy pruh 20 stupňů galaktické šířky – odpovídající galaktickému disku – aby se vyhnul kontaminaci známými astrofyzikálními zdroji. Zatímco předchozí studie s prvními lety dat z Fermi nedosáhly závěrů, tato práce využila obrovské množství informací shromážděných během 15 let nepřetržitého provozu, což umožnilo bezprecedentní citlivost na diskriminaci subtilních komponentů v gama záření.
Vycházející z teoretických modelů
Výsledkem tohoto podrobného zkoumání byla identifikace nadbytku gama záření, které se distribuuje přibližně sféricky kolem galaktického centra, vzor, který se shoduje s očekávaným rozložením pro halo temné hmoty. Ale nejpřesvědčivější důkaz nepochází pouze z geometrie, ale i z energetického spektra. Detekovaná emise vykazuje velmi výrazný vrchol kolem 20 GeV, rychle slábnoucí jak při nižších, tak vyšších energiích.
Toto chování je obtížné vysvětlit pomocí konvenčních astrofyzikálních procesů, které typicky produkují širší a plochější spektra gama záření. Na rozdíl od toho se dramaticky shoduje se spektrem, které by se generovalo, pokud by se částice temné hmoty s hmotností kolem 500 GeV – přibližně pět setkrát hmotnost protonů – anihilovaly na páry kvarků a anti-kvarků, nebo páry W bosonů, které jsou obě součástí Standardního modelu částicové fyziky. Intenzita pozorovaného signálu navíc umožňuje odhadnout míru anihilace, jejíž hodnoty jsou v souladu s predikcemi teoretických modelů pro WIMP.
Kombinace těchto důkazů – esferoidní a rozšířená morfologie, energetické spektrum s ostrým vrcholem a konzistentní míra anihilace – umisťuje toto halo záření jako nejpevnějšího kandidáta dosud pro první přímé detekce temné hmoty. Pokud bude potvrzeno, jeho dopad by se rozšířil přes dvě hranice poznání: vyřešilo by jedno z ústředních tajemství kosmologie a zároveň by představovalo objev první částice za rámcem Standardního modelu, otevírající novou éru pro základní fyziku.
Opatrnost v průzkumu
Nicméně vědecká komunita varuje před potřebou extrémní opatrnosti. Profesor Totani a jeho spolupracovníci zdůrazňují, že tento výsledek, ačkoliv je mimořádně podnětný, musí projít přezkumem nezávislými analýzami od jiných výzkumných skupin. Dalším klíčovým krokem by mělo být hledání analogického signálu v dalších prostředích bohatých na temnou hmotu, ale chudých na kontaminující astrofyzikální zdroje, jako jsou trpasličí galaxie satelity Mléčné dráhy, jejichž hazy temné hmoty by také měly vytvářet nadbytek gama záření z anihilace, ačkoliv mnohem slabší.
Možné potvrzení tohoto nálezu by nebylo koncem cesty, ale prahy nové disciplíny: astronomie temné hmoty. Prah, který by po téměř sto letech hledání mohla věda brzy překročit.
