Im Zentrum der Milchstraße ist viel Rätselhaftes los. Das supermassereiche Schwarze Loch, das sich dort befindet, ist der Chef unter ihnen. Aber es gibt noch ein anderes faszinierendes Rätsel: eine unerwartete kugelförmige Region mit intensiven Gammastrahlenemissionen.
Eine neue Studie legt nahe, dass dunkle Materie hinter diesen Emissionen stecken könnte.
Es gibt viele Gammastrahlenquellen im Universum, und die meisten von ihnen sind gut verstanden. Pulsare, Magnetare und Quasare erzeugen Gammastrahlen. Aber können sie die Gammastrahlen erklären, die vom Zentrum unserer Galaxie kommen?
Gammastrahlen sind stark. Sie sind eine Form der durchdringenden elektromagnetischen Strahlung, die von den energiereichsten Phänomenen im Universum erzeugt wird. Sie haben die kürzesten Wellenlängen aller Arten elektromagnetischer Strahlung und die höchste Photonenenergie.
Der Überschuss an Gammastrahlen im Herzen der Milchstraße ist den Physikern bekannt, und sie nennen ihn den Überschuss an galaktischem Zentrum (GCE). Wir wissen viel über die Milchstraße, und dieses Wissen hat die Erklärungen für die GCE auf beschränkt zwei Hauptmöglichkeiten: entweder eine Population von Pulsaren, die schnell rotierende Neutronensterne sind, oder dunkle Materie. Physiker glauben, dass dunkle Materie in einer dichten Wolke im Zentrum der Galaxie existiert, mit sich selbst kollidiert und sich selbst vernichtet, um Gammastrahlen zu erzeugen.
Im Jahr 2015 zeigte eine Studie, dass die Quelle für die GCE tatsächlich Pulsare waren und dunkle Materie nicht beteiligt war. Diese Studie stammte von einem Forscherteam aus Princeton und dem MIT, darunter Associate Professor für Physik Tracy Slatyer. Sie verwendeten Beobachtungen des galaktischen Zentrums, die mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop aufgenommen wurden, sowie ein Modell, das alle Wechselwirkungen in der Milchstraße beschreibt, die Gammastrahlen erzeugen könnten. Sie kamen zu dem Schluss, dass Pulsare verantwortlich waren.
Aber eine neue Studie, an der auch Slatyer vom MIT beteiligt war, scheint diese Ergebnisse auf den Kopf gestellt zu haben und auf dunkle Materie als Quelle all dieser Gammastrahlen hingewiesen zu haben.
Die neue Studie trägt den Titel "Wiederbelebung der Hypothese der Dunklen Materie für den Gammastrahlenüberschuss des Galaktischen Zentrums" und wurde in Physical Review Letters veröffentlicht. Die Autoren sind Tracy Slatyer vom Zentrum für Theoretische Physik am MIT und Rebecca Leane von der School of Natural Sciences am Institute of Advanced Study. Ihre Studie besagt, dass es ein Problem mit dem früheren gibt und die Ergebnisse unzuverlässig sind. Ein Beitrag der Dunklen Materie zur GCE hätte unbemerkt bleiben können.
Die Schwierigkeit, die GCE entweder auf Pulsare oder dunkle Materie zu beschränken, hängt von der Art und Weise ab, wie die Photonen emittiert werden, und von unserer technologischen Fähigkeit, sie zu erfassen. Gammastrahlen von dunkler Materie wären diffus, während diejenigen von Pulsaren konzentriertere Punktquellen wären. Im Jahr 2015 erschienen alle Gammastrahlen diffus, aber das könnte daran liegen, dass die Punktquellen für unsere Teleskope mit begrenzter räumlicher Auflösung diffus erscheinen. Im Jahr 2015 kamen die Forscher zu dem Schluss, dass Pulsare verantwortlich sind.
Die Milchstraße ist mehr oder weniger flach mit einer Ausbuchtung in der Mitte. Die Gammastrahlen nehmen einen kugelförmigen Bereich im Zentrum mit einem Radius von etwa 5.000 Lichtjahren ein. Die Methode, die Slatyer und ihre Kollegen 2015 entwickelten, versuchte zu klären, ob diese kugelförmige Region „glatt“ oder „körnig“ war. Ihre Argumentation war, dass wenn Pulsare die Quelle der Gammastrahlen sind, diese Gammastrahlen diesen kugelförmigen Bereich körnig aussehen lassen sollten. Es würde dunkle Lücken zwischen den Gammastrahlen geben, wo es keine Pulsarquellen gab.
Wenn die Gammastrahlen jedoch aus dunkler Materie stammen würden, wäre der sphärische Bereich glatt. "Jede Sichtlinie zum galaktischen Zentrum hat wahrscheinlich Partikel der dunklen Materie, daher sollte ich keine Lücken oder kalten Stellen im Signal sehen", erklärte Slatyer.
Sie entwickelten ein Modell, das die gesamte Materie und das Gas in der Milchstraße sowie alle Partikelwechselwirkungen, die Gammastrahlen erzeugen könnten, berücksichtigt. Dann betrachteten sie Modelle für die kugelförmige Region der GCE, die entweder körnig oder glatt waren, und eine statistische Methode, um sie voneinander zu unterscheiden. Dann nahmen sie dieses Modell und führten tatsächliche Beobachtungen des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops ein, um festzustellen, ob die Beobachtungen entweder in ein körniges oder ein glattes Profil passen.
Wenn die Beobachtungen in ein körniges Profil passen, könnten Pulsare die Gammastrahlen erklären. Wenn sie in ein glattes Profil passen, könnte dunkle Materie sie erklären. Das körnige Profil war eine überwältigende Passform.
"Wir haben gesehen, dass es zu 100 Prozent körnig ist, und deshalb haben wir gesagt:" Oh, dunkle Materie kann das nicht, also muss es etwas anderes sein ", erinnert sich Slatyer. „Ich hatte die Hoffnung, dass dies nur die erste von vielen Studien der Region des galaktischen Zentrums mit ähnlichen Techniken sein würde. Aber bis 2018 waren die wichtigsten Gegenprüfungen der Methode immer noch die, die wir 2015 durchgeführt hatten, was mich ziemlich nervös machte, dass wir etwas verpasst haben könnten. "
Schließlich beschlossen Slatyer und Leane, das Modell zu testen. Slatyer befürchtete, dass es nicht robust genug sein könnte. Sie beschlossen, eine "gefälschte" Karte des Himmels zu erstellen, die ein Signal der dunklen Materie und Pulsare enthält, die nicht mit dem GCE assoziiert sind. Sie speisten es in das Modell ein und obwohl ihre Daten ein falsches Signal der dunklen Materie enthielten, kam das Modell zu dem Schluss, dass es körnig und daher pulsar-dominiert war. Laut Slatyer war dies ein Beweis dafür, dass ihr Modell nicht narrensicher war und dass noch Raum für dunkle Materie in der GCE eine Rolle spielte.
"Wenn es sich wirklich um dunkle Materie handelt, wäre dies der erste Beweis dafür, dass dunkle Materie durch andere Kräfte als die Schwerkraft mit sichtbarer Materie interagiert."
Rebecca Leane, Co-Autorin, School of Natural Sciences, Institut für fortgeschrittene Studien.
Dann schlug ein Kollege vor, dass die Forscher ein gefälschtes Signal der dunklen Materie in Kombination mit echten Fermi-Beobachtungen hinzufügen sollten, um ihr Modell zu testen, anstatt eine gefälschte Hintergrundkarte.
Sie haben dies getan und ihr statistisches Modell hat den Test nicht bestanden. Trotz des glatten Signals der dunklen Materie lieferte das Modell ein körniges pulsar-dominiertes Ergebnis. Sie drehten ihr Signal für dunkle Materie auf das Vierfache der tatsächlichen GCE und ihr Modell konnte es immer noch nicht erkennen.
"Zu diesem Zeitpunkt war ich ziemlich aufgeregt, weil ich wusste, dass die Auswirkungen sehr groß waren - es bedeutete, dass die Erklärung der dunklen Materie wieder auf dem Tisch lag", sagt Leane.
Wenn diese neuesten Ergebnisse korrekt sind, ist das eine große Sache.
"Wenn es sich wirklich um dunkle Materie handelt, ist dies der erste Beweis dafür, dass dunkle Materie durch andere Kräfte als die Schwerkraft mit sichtbarer Materie interagiert", sagt Leane. „Die Natur der Dunklen Materie ist derzeit eine der größten offenen Fragen in der Physik. Wenn wir dieses Signal als dunkle Materie identifizieren, können wir möglicherweise die grundlegende Identität der dunklen Materie aufdecken. Egal wie sich der Überschuss herausstellt, wir werden etwas Neues über das Universum lernen. “
"Es ist insofern aufregend, als wir dachten, wir hätten die Möglichkeit ausgeschlossen, dass dies dunkle Materie ist", sagte Slatyer in einer Pressemitteilung. "Aber jetzt gibt es eine Lücke, einen systematischen Fehler in der Behauptung, die wir gemacht haben. Es öffnet die Tür wieder, damit das Signal von der dunklen Materie kommt. “
Dieses neue Ergebnis wird in der Zeitschrift Physical Review Letters vom 11. Dezember veröffentlicht.
Mehr:
- MIT-Pressemitteilung: Befindet sich dunkle Materie im Zentrum der Milchstraße?
- Forschungsbericht: Wiederbelebung der Hypothese der Dunklen Materie für den Gammastrahlenüberschuss des Galaktischen Zentrums
- Wikipedia: Schwach wechselwirkende massive Partikel (WIMPs)
