Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego mogli po raz pierwszy w historii bezpośrednio wykryć ciemną materię. Zaobserwowane promieniowanie gamma z centrum Drogi Mlecznej wskazuje na anihilację hipotetycznych cząstek WIMP i otwiera nowy rozdział w fizyce cząstek i kosmologii.
Prawie sto lat po tym, jak szwajcarski astronom Fritz Zwicky zaproponował istnienie ciemnej materii, naukowcy mogli w końcu zobaczyć tę niewidzialną substancję. W 1933 roku Zwicky, obserwując galaktyki poruszające się znacznie szybciej, niż pozwalałaby na to ich widoczna masa, doszedł do wniosku, że Wszechświat musi być wypełniony niewykrywalną dotąd materią. Przez prawie wiek pozostawała ona ogromną zagadką dla nauki.
Najnowsze dane z Kosmicznego Teleskopu Fermiego sugerują bezpośrednie wykrycie promieniowania powstającego podczas anihilacji cząstek ciemnej materii. To przełomowe odkrycie może wreszcie rzucić światło na tajemnicę, która od dziesięcioleci intryguje astronomów i fizyków.
Niewidzialna struktura Wszechświata
Ciemna materia stanowi około 85 procent całej materii we Wszechświecie, a mimo to nie poddawała się bezpośredniej obserwacji. Powodem jest fakt, że cząsteczki ją tworzące nie oddziałują z siłami elektromagnetycznymi – innymi słowy, ciemna materia nie pochłania, nie odbija ani nie emituje światła. Naukowcy mogli obserwować ją jedynie pośrednio, poprzez jej wpływ na materie zwykłą, szczególnie poprzez siłę grawitacyjną wystarczającą do utrzymania galaktyk w całości.
Teoria mówiąca o istnieniu ciemnej materii tłumaczy również rotację galaktyk, rozkład materii we Wszechświecie oraz strukturę Wszechświata na największych skalach. Bez niej współczesna kosmologia byłaby niemożliwa.
WIMP-y – hipotetyczne cząstki ciemnej materii
Różnorodne teorie próbują wyjaśnić naturę ciemnej materii, ale wielu badaczy wysuwa hipotezę, że składa się ona ze słabo oddziałujących masywnych cząstek, znanych jako WIMP-y (ang. Weakly Interacting Massive Particles). Cząstki te są znacznie cięższe od protonów, ale w bardzo niewielkim stopniu oddziałują z inną materią.
Teoretycznie jednak, gdy dwie cząstki WIMP zderzą się ze sobą, mogą ulegać anihilacji – całkowitemu zniszczeniu, przy którym uwalniane są inne cząstki, w tym fotony promieniowania gamma. To właśnie tych charakterystycznych fotonów od lat poszukują naukowcy, mający nadzieję na potwierdzenie istnienia WIMP-ów.
Obserwacje z Teleskopu Fermiego
Naukowcy przez lata prowadzili obserwacje astronomiczne w poszukiwaniu tych specyficznych promieni gamma, skupiając się na obszarach, w których występuje najwyższe stężenie ciemnej materii – takich jak centrum Drogi Mlecznej. Właśnie tam profesor Tomonori Totani z Wydziału Astronomii Uniwersytetu Tokijskiego natrafił na intrygujące sygnały.
Teleskop wykrył promieniowanie gamma o energii 20 gigaelektronowoltów rozchodzące się w kształcie halo wokół centrum naszej Galaktyki. Zaobserwowaliśmy promieniowanie gamma rozciągające się w strukturze przypominającej halo w kierunku centrum Drogi Mlecznej. Emisja promieniowania gamma idealnie odpowiada kształtowi oczekiwanemu od halo ciemnej materii – powiedział Totani.
Wyniki jego pracy opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics”.
Zgodność z przewidywaniami teoretycznymi
Widmo energetyczne obserwowanego promieniowania zmienia się dokładnie w taki sposób, jaki przewiduje teoria anihilacji cząstek WIMP. Energia tych fotów wskazuje na cząstki o masie około 500 razy większej od masy protonu. Dodatkowo, częstotliwość zderzeń oszacowana na podstawie zmierzonej intensywności promieniowania gamma również mieści się idealnie w zakresie przewidywań teoretycznych.
Kluczowe znaczenie ma fakt, że tych pomiarów promieniowania gamma nie da się wytłumaczyć typowymi, bardziej powszechnymi zjawiskami astronomicznymi. Wykryty sygnał wyróżnia się charakterystycznym profilem energetycznym, który jest trudny do wytłumaczenia innymi źródłami emisji wysokoenergetycznego promieniowania.
Potencjalny przełom w fizyce
Jeśli to się potwierdzi, będzie to pierwsze „ujrzenie” ciemnej materii przez ludzkość – podkreślił Totani. Okazuje się, że ciemna materia to nowa cząstka, nieuwzględniona w obecnym standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych. To oznacza ogromny postęp w astronomii i fizyce.
Odkrycie byłoby monumentalne nie tylko dla astrofizyki, ale dla całej nauki. Potwierdziłoby hipotezę trwającą prawie wiek i otworzyło nowe drogi do zrozumienia fundamentalnej struktury Wszechświata.
Weryfikacja i kolejne kroki
Chociaż Totani jest przekonany o znaczeniu swoich pomiarów, wyniki muszą zostać poddane niezależnej weryfikacji przez innych badaczy. Nawet po potwierdzeniu przez społeczność naukową, naukowcy będą chcieli uzyskać dodatkowe dowody, aby całkowicie wyeliminować możliwość, że obserwowane promieniowanie pochodzi z innego, niezidentyfikowanego dotąd źródła.
Kolejnym krokiem będzie poszukiwanie podobnych sygnałów w innych miejscach Wszechświata, zwłaszcza w galaktykach karłowatych znajdujących się w halo Drogi Mlecznej. Tego typu obserwacje stanowiłyby niezależne potwierdzenie hipotezy Totaniego.
Możemy tego dokonać, gdy zgromadzimy więcej danych z Teleskopu Fermiego – powiedział Totani. Jeśli odkryjemy podobną emisję w innych rejonach bogatych w ciemną materię, dostarczymy jeszcze silniejszych dowodów na to, że promienie gamma rzeczywiście pochodzą z anihilacji cząstek ciemnej materii.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- After nearly 100 years, scientists may have detected dark matter
- 20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation
Źródło: Uniwersytet Tokijski
Na ilustracji: obraz halo Drogi Mlecznej w promieniach gamma. Mapa intensywności promieniowania gamma z wyłączeniem składowych innych niż halo, obejmująca około 100 stopni w kierunku centrum Galaktyki. Poziomy szary pasek w obszarze centralnym odpowiada obszarowi płaszczyzny Galaktyki, który został wyłączony z analizy w celu uniknięcia silnego promieniowania astrofizycznego. Źródło: 2025 Tomonori Totani, Uniwersytet Tokijski.
