Цёмная матэрыя ў цэнтры нашай галактыкі 

Тэлескоп Фермі праверыў выразнае назіранне залішняга γ-выпраменьвання ў цэнтры нашай галактыкі, якое выглядала несферычным і плоскім. Гэты лішак γ-выпраменьвання, які называюць лішкам галактычнага цэнтра (GCE), з'яўляецца магчымай прыкметай цёмнай матэрыі, якая ўзнікае ў выніку самазнішчэння слаба ўзаемадзейнічаючых масіўных часціц (WIMP), якія з'яўляюцца кандыдатамі на ролю часціц цёмнай матэрыі. Аднак лішак γ-выпраменьвання, які назіраецца ў цэнтры галактыкі, таксама можа быць выкліканы старымі мілісекунднымі пульсарамі (MSP). Да гэтага часу лічылася, што марфалогія GCE з-за цёмнай матэрыі (DM) будзе сферычнай. Нядаўняе мадэляванне паказвае, што марфалогія гама-выпраменьвання з-за DM можа быць значна несферычнай і плоскай. Гэта азначае, што як гіпотэзы анігіляцыі цёмнай матэрыі (DM), так і мілісекундныя пульсары (MSP) для назіранага GCE аднолькава магчымыя. Гама-выпраменьванні, якія ўтвараюцца пры анігіляцыі цёмнай матэрыі (DM), маюць надзвычай высокі ўзровень энергіі, прыблізна 0.1 тэраэлектрон-вольта (TeV). Стандартныя гама-тэлескопы не могуць непасрэдна выявіць гэтыя высокаэнергетычныя фатоны. Такім чынам, пацверджанне мадэлі цёмнай матэрыі (DM) лішку галактычнага цэнтра (GCE) стане магчымым пасля завяршэння даследаванняў тэра-γ-абсерваторыямі, такімі як абсерваторыя масіва тэлескопаў імя Чаранкова (CTAO) і Паўднёвая шырокапалосная гама-абсерваторыя (SWGO).

Гісторыя цёмнай матэрыі пачалася ў 1933 годзе, калі Фрыц Цвікі заўважыў, што хутка рухаючыяся галактыкі ў скопішчы Кома не могуць утрымлівацца разам і заставацца стабільнымі без прысутнасці дадатковай матэрыі, якая нейкім чынам нябачная, але аказвае дастатковы гравітацыйны эфект, каб спыніць распад галактык. Ён увёў тэрмін «цёмная матэрыя» для абазначэння такой нябачнай матэрыі. У 1960-х гадах Вера Рубін зрабіла значны ўнёсак у наша разуменне цёмнай матэрыі. Яна адзначыла, што зоркі на знешніх краях Андрамеды і іншых галактык круціліся з хуткасцю, такой жа хуткасцю, як і хуткасці зорак у напрамку цэнтра. Пры дадзенай суме ўсёй назіранай матэрыі галактыка павінна была разляцецца, што патрабавала прысутнасці нейкай дадатковай нябачнай матэрыі, якая ўтрымлівае галактыкі разам і прымушае іх круціцца з высокай хуткасцю. Яе вымярэнні крывых кручэння галактыкі Андрамеды далі самыя раннія доказы існавання цёмнай матэрыі.  

Цяпер мы ведаем, што цёмная матэрыя не ўзаемадзейнічае са святлом або электрамагнітнай сілай. Яна не паглынае, не адлюстроўвае і не выпраменьвае святло або любое іншае электрамагнітнае выпраменьванне і нябачная, таму яе называюць цёмнай. Але яна гравітацыйна групаецца і аказвае гравітацыйны ўплыў на звычайную матэрыю, і менавіта так звычайна мяркуецца яе прысутнасць у космасе. Галактыкі ўтрымліваюцца разам у раўнавазе гравітацыйным уздзеяннем цёмнай матэрыі, якая складае да 26.8% масы энергіі Сусвету, тады як увесь назіраемы Сусвет, уключаючы ўсю барыённую звычайную матэрыю, з якой мы ўсе складаемся, складае толькі 4.9% Сусвету. Астатнія 68.3% масы энергіі Сусвету — гэта цёмная энергія.  

Невядома, што такое цёмная матэрыя на самой справе. У ёй няма фундаментальных часціц. Стандартнае выкананне валодаюць уласцівасцямі, неабходнымі для таго, каб быць цёмнай матэрыяй. Магчыма, гіпатэтычныя «суперсіметрычныя часціцы», якія з'яўляюцца партнёрамі часціц у Стандартнай мадэлі, ствараюць цёмную матэрыю. Магчыма, існуе паралельны свет цёмнай матэрыі. WIMP (слаба ўзаемадзейныя масіўныя часціцы), аксіёны або стэрыльныя нейтрына - гэта гіпотэтычныя часціцы па-за Стандартнай мадэллю, якія з'яўляюцца вядучымі кандыдатамі. Аднак пакуль не дасягнута ніякіх поспехаў у выяўленні такіх часціц.  

Ёсць некалькі праектаў (напрыклад, Эксперымент з ксенонам, Праект DarkSide-20k, Рэцэпт EURECA, і РЭС-НОВА) у цяперашні час распрацоўваюцца для непасрэднага выяўлення часціц цёмнай матэрыі. У асноўным гэта дэтэктары вадкіх высакародных газаў або крыягенныя дэтэктары, прызначаныя для выяўлення слабых сігналаў ад узаемадзеяння часціц цёмнай матэрыі. Аднак, нягледзячы на ​​мноства новых падыходаў, ні адзін праект пакуль не змог непасрэдна выявіць якую-небудзь часціцу цёмнай матэрыі. 

У якасці ўскосных доказаў існавання цёмнай матэрыі можна звярнуцца да гравітацыйных эфектаў, як гэта рабілі Фрыц Цвікі і Вера Рубін, якія адкрылі цёмную матэрыю, вывучаючы, як галактыкі ўтрымліваюцца разам, нягледзячы на ​​непрапарцыйна высокія хуткасці для назіранай звычайнай матэрыі. Гравітацыйныя эфекты лінзавання (скрыўлення святла) і ўплыў на рух зорак у космасе таксама могуць даць ускосныя доказы наяўнасці цёмнай матэрыі. Акрамя таго, прадукты анігіляцыі (напрыклад, гама-прамяні, нейтрына і касмічныя прамяні), якія ўтвараюцца пры сутыкненні часціц цёмнай матэрыі адна з адной у космасе, таксама могуць сведчыць аб наяўнасці цёмнай матэрыі. Адным з такіх месцаў, дзе цёмная матэрыя была прадказана на аснове прадуктаў анігіляцыі часціц цёмнай матэрыі, з'яўляецца цэнтр нашай галактыкі Млечны Шлях.  

Выяўленне цёмнай матэрыі ў цэнтры нашай галактыкі Млечны Шлях  

Існавалі прыкметы залішняга дыфузнага мікрахвалевага цэнтральнага свячэння ў цэнтры Млечнага Шляху (МШ). Было выказана меркаванне, што залішняе свячэнне абумоўлена сінхратронным выпраменьваннем рэлятывісцкіх электронаў і пазітронаў, якія ўтвараюцца пры анігіляцыі цёмнай матэрыі WIMP, таму быў прадказаны працяглы дыфузны сігнал γ-выпраменьвання ў дыяпазоне энергій да некалькіх сотняў ГэВ. Пасля гэтага тэлескоп вялікай плошчы Фермі (LAT) выявіў сігнал γ-выпраменьвання, які быў ідэнтыфікаваны як лішак галактычнага цэнтра (GCE). Неўзабаве стала зразумела, што лішак галактычнага цэнтра (GCE) таксама можа быць выкліканы старымі нейтроннымі зоркамі (мілісекунднымі пульсарамі). Лічылася, што марфалогія GCE будзе важнай — сіметрычная сферычная GCE будзе сведчыць аб γ-выпраменьванні ад анігіляцыі часціц цёмнай матэрыі (DM), у той час як плоская марфалогія GCE будзе сведчыць аб γ-выпраменьванні ад мілісекундных пульсараў (MSP).  

Шырокія назіранні галактычнага цэнтра Млечнага Шляху з дапамогай тэлескопа вялікай плошчы Фермі (LAT) выявілі плоскую асферычнасць. Звычайна назіраную асферычнасць можна было б звязаць са старымі зоркамі (MSP), аднак нядаўняе даследаванне, апублікаванае 16 кастрычніка 2025 года, паказала, што марфалогіі GCE, прадказаныя як мадэлямі анігіляцыі старых зорак (MSP), так і мадэлямі анігіляцыі цёмнай матэрыі (DM), неадрозныя.   

Каб вывучыць размеркаванне цёмнай матэрыі, даследчыкі правялі мадэляванне марфалогіі галактык, падобных да ММ (Млечны Шлях). Яны выявілі, што гало цёмнай матэрыі вакол галактык, а таксама вакол цэнтральных абласцей галактык рэдка былі сферычнымі, як меркавалася ў анізатропнай мадэлі. Замест гэтага аналіз паказаў сплюшчаную праекцыю шчыльнасці цёмнай матэрыі для ўсіх галактык. Гэта невосесіметрычнае размеркаванне цёмнай матэрыі (ЦМ) было таксама паказана гісторыяй зліцця галактыкі Млечны Шлях за першыя тры мільярды гадоў гісторыі Сусвету. Назіраная марфалогія ГКМ сплюшчаная ў цэнтральнай вобласці, што звычайна лічыцца характэрным для размеркавання старых зорак (СЗЗ). Новае даследаванне паказала, што цёмная матэрыя (ЦМ) генеруе падобнае квадратнае размеркаванне. Такім чынам, як анігіляцыя цёмнай матэрыі (ЦМ), так і мілісекундныя пульсары (МЗЗ) для назіранай ГКМ аднолькава магчымыя.   

Ці з'яўляецца назіранае GCE вынікам цёмнай матэрыі (DM) ці мілісекундных пульсараў (MSP), стане вядома, калі ў будучыні такія γ-абсерваторыі, як Чэрэнкаўская тэлескопная абсерваторыя (CTAO) і Паўднёвая шырокапалосная гама-абсерваторыя (SWGO), завершаць свае даследаванні тэра-гама-выпраменьвання. Гама-выпраменьванні, якія ўтвараюцца ў выніку анігіляцыі цёмнай матэрыі (DM) у цэнтры галактыкі, будуць фатонамі звышвысокай энергіі з надзвычай высокім узроўнем энергіі прыблізна 0.1 тэраэлектрон-вольта (ТэВ). Стандартныя гама-тэлескопы не могуць непасрэдна выявіць гэтыя фатоны высокай энергіі. Тэра-гама-выпраменьванні стануць важнай мішэнню для будучых γ-абсерваторый, такіх як CTAO і SWGO.  

Гэта даследаванне з'яўляецца крокам наперад у выяўленні цёмнай матэрыі ў космасе праз прадукты яе анігіляцыі, аднак прысутнасць цёмнай матэрыі ў цэнтры галактыкі запатрабуе пацверджання з боку абсерваторый звышвысокіх энергій γ-выпраменьвання, такіх як CTAO або SWGO, у будучыні. Значна больш значным прагрэсам у навуцы аб цёмнай матэрыі было б прамое выяўленне любой часціцы DM.  

*** 

Спасылкі:  

1. Хохберг, Ю., Кан, Ю.Ф., Лін, Р.К. і інш. Новыя падыходы да выяўлення цёмнай матэрыі. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Місяшэка М. і Росіб Н. 2024. Прамое выяўленне цёмнай матэрыі: крытычны агляд. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Інстытут карпускулярнай фізікі. У пошуках цёмнай матэрыі: новы падыход да выяўлення нябачнага. 22 жніўня 2025 г. Даступна па адрасе https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Муру М.М. і інш. 2025. Марфалогія лішку цёмнай матэрыі ў галактычным цэнтры Фермі-LAT у мадэляванні Галактыкі Млечны Шлях. Physical Review Letters. 135, 161005. Апублікавана 16 кастрычніка 2025 г. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Прэпрынтная версія ў arXiv. Пададзена 8 жніўня 2025 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Універсітэт Джона Хопкінса. Навіны – Загадкавае свячэнне ў Млечным Шляху можа быць доказам цёмнай матэрыі. Апублікавана 16 кастрычніка 2025 г. Даступна па адрасе https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Інстытут астрафізікі Лейбніца. Навіны – Млечны Шлях дэманструе лішак гама-прамянёў з-за анігіляцыі цёмнай матэрыі. Апублікавана 17 кастрычніка 2025 г. Даступна па адрасе https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Касмічны гама-тэлескоп Фермі. Даступна па адрасе https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Абсерваторыя тэлескопаў Чаранкова (CTAO). Даступна па адрасе https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Паўднёвая шырокапалосная гама-абсерваторыя (SWGO). Даступна па адрасе https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Тартуская абсерваторыя. Цёмны бок Сусвету. Даступна па адрасе https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***