Nowe analizy astrofizyczne rzucają światło na jedną z największych zagadek współczesnej kosmologii – pochodzenie nadmiaru promieniowania gamma obserwowanego w centrum Drogi Mlecznej. Najnowsze badania sugerują, że źródłem tego zjawiska może być anihilacja cząstek ciemnej materii, której rozkład w naszej galaktyce jest bardziej złożony, niż wcześniej przypuszczano.
Czym jest ciemna materia?
Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, która nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła. Jej obecność ujawnia się wyłącznie poprzez oddziaływania grawitacyjne. W modelach kosmologicznych odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu struktury Wszechświata oraz powstawaniu galaktyk.
Nowy obraz rozkładu ciemnej materii
Symulacje komputerowe o wysokiej rozdzielczości wykazały, że rozkład ciemnej materii w wewnętrznej części Drogi Mlecznej nie jest kulisty, jak zakładano w klasycznych modelach halo ciemnej materii. Zamiast tego ma on strukturę spłaszczoną i asymetryczną – bardziej zbliżoną do dysku gwiazdowego niż do idealnej kuli.
To odkrycie ma znaczenie fundamentalne. Wcześniejsze modele zakładały kulisty rozkład ciemnej materii, co prowadziło do rozbieżności między teorią a obserwacjami promieniowania gamma. Nowy model eliminuje tę sprzeczność.
Promieniowanie gamma – anihilacja czy pulsary?
Wyniki teleskopu kosmicznego Fermi ujawniły nadmiar promieniowania gamma w centrum Galaktyki. Istniały dwie główne hipotezy wyjaśniające to zjawisko:
- Anihilacja cząstek ciemnej materii – ciemna materia może składać się z cząstek samoniszczących się poprzez anihilację, co prowadzi do emisji promieniowania gamma.
- Pulsary milisekundowe – szybko rotujące gwiazdy neutronowe, które również emitują wysokoenergetyczne promieniowanie.
Dotychczas brakowało dowodów rozstrzygających tę debatę. Jednak nowe symulacje pokazały, że gdy uwzględni się rzeczywisty, spłaszczony kształt halo ciemnej materii, jej rozmieszczenie przestrzenne bardzo dobrze pokrywa się z obserwowanym rozkładem promieniowania gamma.
Gigantyczna struktura promieniowania gamma wyłania się w wyniku przetwarzania danych teleskopu kosmicznego Fermi z całego nieba przy energiach od 1 do 10 GeV. Struktura w kształcie hantli wyłania się z centrum Galaktyki i rozciąga się na 50 stopni na północ i południe od płaszczyzny Drogi Mlecznej. W centrum Galaktyki znajduje się również supermasywna czarna dziura o masie około 4 milionów mas Słońca; te „bąble promieniowania gamma” mogły powstać w wyniku wcześniejszej erupcji czarnej dziury lub innego źródła w pobliżu centrum Galaktyki. Źródło: NASA/GSFC/DOE/Fermi LAT/D. Finkbeiner i in.
Symulacje galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej
Badacze odtworzyli w komputerowych modelach proces formowania galaktyk w warunkach przypominających środowisko kosmiczne wokół Ziemi. Uzyskane symulowane galaktyki wykazały niezwykłe podobieństwo do rzeczywistej Drogi Mlecznej – zarówno pod względem struktury gwiazdowej, jak i rozkładu ciemnej materii.
Kiedy teleskop kosmiczny FERMI skierował się na centrum Galaktyki, wyniki były zdumiewające. Zdecydowanie zbyt wiele promieniowania gamma sugerowało istnienie nieznanego źródła energii – mówi Noam Libeskind z Instytutu Astrofizyki im. Leibniza w Poczdamie.
Znaczenie odkrycia
Badania pokazują, że ciemna materia nie jest równomiernie rozprowadzona w halo galaktycznym, lecz skupia się podobnie jak gwiazdy w dysku galaktycznym. To stanowczo wzmacnia hipotezę, że nadmiar promieniowania gamma może pochodzić z anihilacji cząstek ciemnej materii.
Naukowcy wykazali, że nawet niewielkie spłaszczenie halo wystarczy, aby uzyskać profil emisji odpowiadający obserwacjom. Oznacza to, że poszukiwania cząstek ciemnej materii, zdolnych do samoanihilacji, powinny zostać zintensyfikowane.
Jeśli obserwacje zostaną potwierdzone przez przyszłe misje kosmiczne oraz eksperymenty detekcji bezpośredniej, może to oznaczać przełom w fizyce cząstek elementarnych. Zrozumienie natury ciemnej materii nie tylko wyjaśni genezę promieniowania gamma, ale także odsłoni fundamenty struktury i ewolucji całego Wszechświata.
Więcej informacji: publikacja Moorits Mihkel Muru et al, Fermi-LAT Galactic Center Excess Morphology of Dark Matter in Simulations of the Milky Way Galaxy, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/g9qz-h8wd
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Artystyczna wizja skupisk ciemnej materii wokół galaktyki przypominającej Drogę Mleczną. V. Belokurov, D. Erkal, S.E. Koposov (IoA, Cambridge). Zdjęcie: Kolorowy obraz M31 autorstwa Adama Evansa. Skupiska ciemnej materii z Aquarius, Volker Springel (HITS)
