Темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше, чем привычного нам видимого вещества. По ее гравитационному воздействию ученые могут вычислить наличие и распределение темной материи, но увидеть ее саму или хотя бы рассчитать массу частиц пока не получается.
Авторы новой работы показали, что необычное поведение газа в центре Галактики может быть следствием аннигиляции частиц темной материи — значит, можно вывести их массу.
Галактический центр Млечного Пути, расположенный на расстоянии приблизительно 26 тысяч световых лет от Земли, — ожидаемо неспокойное место. Астрономы давно используют эту область радиусом примерно в 3,2 тысячи световых лет как «лабораторию» для изучения физики в экстремальных условиях. Особенно привлекает центральная молекулярная зона (CMZ), наполненная массивными и плотными молекулярными облаками.
CMZ неравномерно окружает центр Галактики, ее диаметр составляет от 1,6 до 1,9 тысячи световых лет. Конечно, чем ближе к центру, тем плотнее газ. Эта область сильно отличается от остальной Галактики по плотности, температуре и динамике газа, которого там очень много — около 60 миллионов солнечных масс. Есть еще одно важное отличие: этот газ сильно ионизирован, в сотни и даже тысячу раз сильнее, чем в остальных областях Галактики.
«В центре нашей Галактики расположены огромные облака положительно заряженного водорода, которые не первое десятилетие озадачивают ученых, потому что обычно такой газ находится в нейтральном состоянии. Так что же поставляет достаточно энергии, чтобы выбивать электроны из молекул? Судя по характеристикам энергии, исходящей из этой части Галактики, ее поставляет постоянный „бурлящий“ источник. По нашим данным, это может быть гораздо более легкая форма темной материи, чем та, которую изучают в современных моделях», — объяснил один из трех авторов нового исследования Шайям Балажи (Shyam Balaji), физик-теоретик из Королевского колледжа Лондона, специализирующийся на изучении физики астрочастиц и космологии.
Из-за высокой плотности газа ультрафиолетовое и рентгеновское излучение не пробивается в центральную молекулярную зону, поэтому они не могут ионизировать газ. Остается лишь один «традиционный» источник энергии — космические лучи. Вот только они тоже оказались недостаточно эффективными в передаче энергии, как показали расчеты, проведенные в исследовании, опубликованном в 2024 году в журнале Astronomy & Astrophysics. Более того, космические лучи физически не могут поставлять энергию достаточно равномерно и постоянно.
Авторы новой статьи предлагают другое решение — частицы темной материи. Аннигилируя, эти гипотетические частицы распадаются на пару из электрона и позитрона, которые, разлетаясь, отдают энергию окружающему газу. При достаточной плотности газа и энергии частиц порядка десятков миллионов электронвольт они смогут разлетаться лишь на несколько сотен световых лет, то есть оставаться в пределах облаков CMZ. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Важно, что такие частицы темной материи должны быть достаточно маломассивными, меньше 100 миллионов электронвольт. Не так давно самой популярной версией природы темной материи были вимпы — гипотетические слабовзаимодействующие массивные частицы в миллиарды электронвольт, но в последние годы они все чаще подвергаются сомнению. Авторы новой работы тоже считают, что частицы темной материи должны быть меньше.
Наконец, предложенная исследователями форма и поведение частиц темной материи может объяснить природу гамма-линии 511 килоэлектронвольт, которая наблюдается в ядре Галактики. Эта линия возникает при аннигиляции позитрона и электрона. Их постоянным источником в центральной области Млечного Пути могут быть те самые распадающиеся маломассивные частицы темной материи, ионизирующие плотные облака газа.
Автор: Дарья Губина