Чтобы обнаружить темную материю, нужно наблюдать центр Галактики

Рис. 1. Темная материя вокруг галактик, вероятно, представляет собой совокупность сгустков различных размеров и масс (минимальные размеры и массы, которые берутся сегодня при расчетах, — от 120 парсек и 1712 масс Солнца соответственно, максимальные — в сотни тысяч раз больше). В центре рисунка — самый массивный сгусток, непосредственно окружающий галактику. Сгустки выглядят светящимися, но это лишь искусственные цвета, используемые для наглядного изображения результатов; в действительности какого-либо излучения от загадочной темной материи обнаружено не было. Рисунок выполнен по результатам расчетов на суперкомпьютере в рамках проекта «Аквариус». Изображение с сайта www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Объединенная группа европейских физиков (в составе проекта «Аквариус», The Aquarius Project) получила оценки возможной яркости гамма-излучения, возникающего при аннигиляции частиц темного вещества в нашей Галактике. Ученые предполагают, что рассеянное излучение от темного гало Галактики будет намного ярче, чем от множества отдельных сгустков темной материи. Результаты этой работы опубликованы в последнем выпуске журнала Nature.

Конечно, темная материя не светит ни в видимом, ни в каком-либо другом диапазоне спектра. Во всяком случае, этого не было до сих пор обнаружено. Природа темной материи — формы, в которой содержится основная масса вещества во Вселенной, — остается загадкой для физиков уже несколько десятков лет. Считается, что она может состоять из частиц неизвестной природы — вимпов (от англ. WIMP, Weakly Interactive Massive Particles), между которыми отсутствует электромагнитное взаимодействие: они не испускают фотоны, и мы не можем видеть эти частицы напрямую. Концепция частиц WIMP предполагает, что их можно обнаружить косвенным путем — по наблюдениям гамма-излучения, которое возникает при аннигиляции частицы и античастицы. Поскольку никто не наблюдал частиц и античастиц темной материи, то достоверно не известно, могут ли они аннигилировать, поэтому наблюдения и проводятся для проверки теорий и предположений.

Европейские ученые под руководством Фолькера Шпрингеля использовали компьютерную модель темной материи для того, чтобы представить, какие данные по распределению гамма-излучения в пространстве получат космические телескопы, в частности телескоп им. Э. Ферми, Fermi Gamma-ray Space Telescope (так с недавних пор называется телескоп GLAST, Gamma-ray Large Area Space Telescope). Компьютерная модель, которую они использовали, была создана объединением ученых «Аквариус» из Института астрофизики им. Макса Планка в Гархинге (Германия) и Института вычислительной космологии в Дареме (Великобритания). Это объединение вобрало в себя участников проектов «Virgo» и «Millenium Project», в которых также проводилось компьютерное моделирование галактик и их скоплений для космологических исследований. Результаты одного из расчетных вариантов этой модели как раз и показаны на рис. 1.

Группа Шпрингеля использовала иерархическую структуру сгустков — их средние размеры и концентрацию, полученную в модели, чтобы проводить оценки. Они брали некое абстрактное положение в пространстве, связанное с каким-либо сгустком внутри расчетной области модели, и рассчитывали светимость в гамма-диапазоне от этого сгустка. Ученых интересовали те фотоны, которые, предположительно, рождаются вследствие аннигиляции частиц и античастиц темной материи. Теоретически, это гамма-излучение должно содержать в себе четыре компонента. Первый — это рассеянный свет от темного гало, непосредственно окружающего Галактику (центр рисунка 1, так называемое «основное гало»). Второй — это рассеянный свет от сгустков меньшего размера, суб-гало. Третий — свет от еще более мелких сгустков, которые содержатся в суб-гало. И, наконец, четвертый компонент — это свет мелких сгустков, которые настолько малы, что учесть каждый из них отдельно в модели невозможно, а можно лишь учесть их суммарный вклад в гамма-излучение от темного вещества.

Рис. 2. Распределение яркости гамма-излучения, рождаемого при аннигиляции частиц темного вещества, на небе. Центр рисунка соответствует направлению на центр Галактики (находится в созвездии Стрельца). Изображение построено так, как будто бы земные или орбитальные телескопы смотрят на небо и видят гамма-излучение, связанное с аннигиляцией частиц WIMP. Изображение с сайта www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

На рис. 2 показано, что максимальная яркость гамма-излучения будет обнаружена в направлении на центр Галактики, на остальных же участках неба будут найдены только отдельные небольшие пики гамма-яркости. Вклады каждого из четырех компонентов модели показаны ниже. Излучение основного гало, самого большого по массе и размеру, будет распределено по всему небу, его яркость постепенно будет падать при удалении от галактического центра (рис. 3а). Излучение от более мелких сгустков (второй и третий компонент), которые обычно находятся намного дальше гало и поэтому вполне равномерно распределены по небу, показано на рис. 3б. Оно будет выглядеть как пестрый фон без явно выделенного центра. Излучение от четвертого компонента — самых мелких сгустков — показано на рис. 3в. Оно еще менее яркое и будет представлять собой равномерный фон.

Рис. 3. Четыре компонента гамма-излучения, возникающего при аннигиляции частиц темного вещества: а — излучение основного гало, б — излучение от более мелких сгустков темной материи (пестрый фон без выделенного центра), в — излучение от самых мелких сгустков (равномерный фон). Яркость всех компонент показана в одних и тех же (относительных) единицах. Для построения этих изображений было использовано реальное расстояние между Солнцем и центром Галактики — 8 тысяч парсек. Изображение с сайта www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Результаты группы Шпрингеля позволяют также сделать и количественные оценки перед тем, как проводить наблюдения. Во-первых, типичная яркость излучения суб-гало относительно фона (а фон состоит из всех четырех компонентов) не будет превышать 10% от отношения яркости основного гало к фону. Это значит, что обнаружить суб-гало будет сложнее и на получение их качественных изображений потребуется больше времени. Еще сложнее будет обнаружить более мелкие сгустки. Предполагается, что типичные массы суб-гало будут меньше, чем массы известных галактик-спутников Млечного Пути (например, Магеллановых облаков). На расстоянии порядка 10 угловых секунд от центров типичных суб-гало их яркость будет падать в два раза, и телескоп Ферми не сможет их обнаружить. Поток гамма-излучения от суб-гало и более мелких сгустков будет от десяти тысяч до миллиона раз ниже, чем поток от основного гало. И это всё притом, что ближайшие суб-гало могут находиться на расстоянии всего нескольких тысяч парсек от центра Галактики.

Для того чтобы убедиться в достоверности своих результатов, Шпрингель с соавторами провели оценки яркости гамма-излучения на основе нескольких компьютерных моделей темного вещества, окружающего Галактику. Эти модели содержат разное количество символических точек при постоянной полной массе темной материи; в тех, которые содержат меньшее точек, нельзя описать поведение темной материи с такой детальностью, как в тех, которые содержат больше точек. С другой стороны, чем более детальна модель, тем дольше нужно ждать, пока суперкомпьютер справится с вычислениями (порядка нескольких недель). Благодаря тому, что в моделях с разным количеством точек были получены подтверждающие и дополняющие друг друга результаты, авторы уверены в том, что гамма-телескопы увидят именно то, что описано в статье.

Разумеется, никто еще достоверно не знает, как именно должно выглядеть гамма-излучение, ассоциируемое с темной материей. Массы частиц WIMP, согласно общепринятому среди ученых мнению, должны соответствовать энергии порядка сотен ГэВ. Поэтому наблюдения в этом высокоэнергетическом диапазоне спектра являются наиболее приоритетными для тех, кто занимается изучением загадки темной материи. После того как будут получены данные высокого качества, ученые «вычтут» из полученного спектра вклад тех источников гамма-излучения, которые уже известны, а остаток будут анализировать на предмет ассоциации с темной материей. Если дополнительное излучение будет распределено по небу так, как показывает работа Шпрингеля с соавторами, то это станет аргументом в пользу того, что излучение связано с аннигиляцией частиц WIMP.

На противоположном конце электромагнитного спектра, в радиодипапазоне, в окрестности диаметром 20 градусов вокруг направления на центр Галактики уже был найден необычный избыток микроволнового излучения на частоте 22 ГГц, полученный в ходе эксперимента WMAP (эксперимент по изучению космического микроволнового излучения, Wilkinson Microware Anisotropy Probe), — «WMAP Haze» (WMAP-дымка). Его спектр выглядит как синхротронное излучение высокоэнергичных электронов и позитронов, но оно имеет слишком высокие частоты (или, что то же самое, слишком большие энергии), чтобы его происхождение смогли объяснить на основе известных астрофизикам явлений. Ускорение в ударных волнах от сверхновых звезд, ассоциация с гамма-всплесками и несколько других вариантов не подходят.

Обнаружена WMAP-дымка была тем же путем, который будет основным при поиске гамма-излучения, связанного с темной материей. Сумма яркости синхротронного излучения в микроволновом диапазоне, излучения заряженных частиц в непрерывном спектре (свободно-свободного излучения, не связанного с переходами электронов между атомными уровнями), излучения пыли и, наконец, космического микроволнового фона должны давать изображение, полученное WMAP, но они содержат в себе дополнительную составляющую, объяснения которой до сих пор нет. Процедура «вычитания» в гамма-диапазоне будет по смыслу такой же — все известные источники излучения в гамма-диапазоне (например, остатки вспышек сверхновых, излучение аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры) должны, в пределах ошибок, дать изображение, которое будет получено телескопом им. Ферми, если вклада, связанного с темной материей, нет.

А в эксперименте PAMELA, регистрирующем частицы космических лучей и, в частности, изучающем поток античастиц (позитронов, антипротонов) в широком диапазоне энергий, обнаружено неожиданно высокое отношение числа позитронов к электронам на высоких энергиях. Этот избыток античастиц также может быть связан с вкладом от аннигиляции частиц темной материи. И в этом вопросе телескоп им. Ферми тоже может внести некоторую ясность, поскольку аннигиляция частиц темной материи должна давать не только позитроны, но и гамма-кванты.

Так что, хотя темная материя до сих пор не обнаружена, в сообществе физиков и астрономов сформировалось мнение, что эпоха открытия природы темного вещества начинается именно в наши дни. Это мнение связано с вводом в строй Большого адронного коллайдера и запуском очередной космической обсерватории НАСА — телескопа им. Ферми. Чувствительность этого телескопа (то есть способность улавливать слабый сигнал) и угловое разрешение (способность различать далекие и маленькие объекты) в диапазоне от 20 МэВ до 300 ГэВ должны позволить астрономам обнаружить гамма-излучение, сопровождающее аннигиляцию частиц темной материи, и сделать большое научное открытие.

Рис. 4. Изображение неба в гамма-диапазоне, полученное на основе данных наблюдений телескопа им. Ферми. Если косвенный вклад темной материи в это излучение будет обнаружен, то, по результатам группы Шпрингеля, этот вклад должен выглядеть так, как показано на рис. 2. Изображение взято из архива телескопа им. Ферми. В центре изображения — направление на центр Галактики. Изображения неба в гамма-лучах, полученные другими телескопами и в других интервалах частот, можно посмотреть здесь

Предварительный обзор неба «Ферми» уже провел, его результаты показаны на рис. 4. Надо сказать, что на это спутнику потребовалось всего 4 дня, хотя на предыдущем гамма-телескопе EGRET подобный обзор потребовал целого года наблюдений. Так что ученые возлагают на «Ферми» большие надежды.

Источник: V. Springel, S. D. M. White, C. S. Frenk, J. F. Navarro, A. Jenkins, M. Vogelsberger, J. Wang, A. Ludlow, A. Helmi. Prospects for detecting supersymmetric dark matter in the Galactic halo // Nature. V. 456. P. 73–76 (6 November 2008).

Мария Кирсанова