Er zijn veel mysterieuze gebeurtenissen in het centrum van de Melkweg. Het superzware zwarte gat dat zich daar bevindt, is de belangrijkste onder hen. Maar er is nog een andere intrigerende puzzel: een onverwacht sferisch gebied met intense gammastraling.
Een nieuwe studie suggereert dat donkere materie achter die emissies zou kunnen zitten.
Er zijn veel gammastralingbronnen in het universum en de meeste zijn goed begrepen. Pulsars, magnetars en quasars produceren allemaal gammastraling. Maar kunnen ze de gammastraling vanuit het centrum van ons sterrenstelsel verklaren?
Gammastralen zijn krachtig. Ze zijn een vorm van doordringende elektromagnetische straling die wordt geproduceerd door de meest energetische verschijnselen in het heelal. Ze hebben de kortste golflengten van elk type elektromagnetische straling en de hoogste fotonenergie.
De overmaat aan gammastraling in het hart van de Melkweg is bekend bij natuurkundigen, en zij noemen het het overschot van het galactische centrum (GCE). We weten veel over de Melkweg, en die kennis heeft de verklaringen voor de GCE beperkt tot twee leidende mogelijkheden: ofwel een populatie van pulsars, die snel roterende neutronensterren zijn, of donkere materie. Natuurkundigen denken dat als het donkere materie is, het in een dichte wolk in het centrum van de melkweg bestaat, in botsing komt met zichzelf en zichzelf vernietigt om gammastraling te produceren.
In 2015 bleek uit een onderzoek dat de bron voor de GCE in feite pulsars was en dat er geen sprake was van donkere materie. Die studie kwam van een team van onderzoekers uit Princeton en MIT, waaronder universitair hoofddocent natuurkunde Tracy Slatyer. Ze gebruikten observaties van het galactische centrum genomen met de Fermi Gamma-ray Space Telescope, samen met een model dat alle interacties in de Melkweg beschreef die gammastraling konden produceren. Ze concludeerden dat pulsars verantwoordelijk waren.
Maar een nieuwe studie, waarbij ook Slatyer van MIT betrokken was, lijkt die resultaten te hebben vernietigd en wees op donkere materie als de bron van al die gammastralen.
De nieuwe studie is getiteld 'Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess' en is gepubliceerd in Physical Review Letters. De auteurs zijn Tracy Slatyer van het Centrum voor Theoretische Fysica aan het MIT en Rebecca Leane van de School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study. Hun studie zegt dat er een probleem is met de eerdere en dat de resultaten onbetrouwbaar zijn. Een bijdrage van donkere materie aan de GCE had onopgemerkt kunnen blijven.
De moeilijkheid om de GCE te beperken tot pulsars of donkere materie komt neer op de manier waarop de fotonen worden uitgezonden en op ons technologisch vermogen om ze te detecteren. Gammastraling van donkere materie zou diffuus zijn, terwijl die van pulsars meer geconcentreerde puntbronnen zouden zijn. In 2015 leken alle gammastralen diffuus, maar dat kan zijn omdat de puntbronnen diffuus lijken voor onze telescopen, die een beperkte ruimtelijke resolutie hebben. In 2015 concludeerden de onderzoekers dat pulsars verantwoordelijk waren.
De Melkweg is min of meer vlak, met een uitstulping in het midden. De gammastraling beslaat een bolgebied in het centrum met een straal van ongeveer 5000 lichtjaar. De methode die Slatyer en haar collega's in 2015 ontwikkelden, probeerde op te lossen of deze bolvormige regio 'glad' of 'korrelig' was. Hun redenering was dat als pulsars de bron van de gammastraling zijn, die gammastraling dat bolvormige gebied er korrelig uit zou moeten laten zien. Er zouden donkere hiaten zijn tussen de gammastralen waar er geen pulsarbronnen waren.
Maar als de gammastraling afkomstig was van donkere materie, dan zou het bolgebied glad zijn. "Elke gezichtslijn naar het galactische centrum heeft waarschijnlijk donkere materiedeeltjes, dus ik zou geen gaten of koude plekken in het signaal moeten zien", legde Slatyer uit.
Ze ontwikkelden een model dat verantwoordelijk was voor alle materie en gas in de Melkweg en alle interacties tussen deeltjes die gammastraling konden produceren. Vervolgens overwogen ze modellen voor de sferische regio van de GCE die korrelig of glad waren, en een statistische methode om ze van elkaar te onderscheiden. Vervolgens namen ze dat model en voerden er werkelijke Fermi Gamma-ray Space Telescope-waarnemingen in om te zien of de waarnemingen in een korrelig of een glad profiel passen.
Als de waarnemingen in een korrelig profiel passen, zouden pulsars de gammastraling kunnen verklaren. Als ze in een glad profiel passen, kan donkere materie ze verklaren. Het korrelige profiel was overweldigend.
"We zagen dat het 100 procent korrelig was, en dus zeiden we:" Oh, donkere materie kan dat niet, dus het moet iets anders zijn ", herinnert Slatyer zich. “Ik hoopte dat dit slechts het eerste zou zijn van vele studies van het galactische centrumgebied met vergelijkbare technieken. Maar tegen 2018 waren de belangrijkste kruiscontroles van de methode nog steeds de controles die we in 2015 hadden uitgevoerd, waardoor ik behoorlijk nerveus werd dat we misschien iets gemist hadden. "
Uiteindelijk besloten Slatyer en Leane het model te testen. Slatyer was bang dat het misschien niet robuust genoeg was. Ze besloten een 'nep'-kaart van de lucht te maken, inclusief een signaal van donkere materie en pulsars die niet in verband werden gebracht met de GCE. Ze voerden het in het model in en hoewel hun gegevens een vals signaal van donkere materie bevatten, concludeerde het model dat het korrelig was en daarom pulsar gedomineerd. Volgens Slatyer was dat het bewijs dat hun model niet onfeilbaar was en dat er nog ruimte was voor donkere materie om een rol te spelen in de GCE.
"Als het echt donkere materie is, zou dit het eerste bewijs zijn dat donkere materie in wisselwerking staat met zichtbare materie door andere krachten dan zwaartekracht."
Rebecca Leane, co-auteur, School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study.
Vervolgens stelde een collega voor dat de onderzoekers een nep-signaal voor donkere materie toevoegen in combinatie met echte Fermi-waarnemingen om hun model te testen, in plaats van met een nep-achtergrondkaart.
Dat deden ze en hun statistische model slaagde niet voor de test. Ondanks het soepele signaal van donkere materie, leverde het model een korrelig pulsar-gedomineerd resultaat op. Ze verhoogden hun signaal van donkere materie tot vier keer de grootte van de werkelijke GCE en toch kon hun model het niet detecteren.
"" Op dat moment was ik behoorlijk opgewonden, omdat ik wist dat de implicaties erg groot waren - het betekende dat de uitleg over donkere materie weer op tafel lag ", zegt Leane.
Als deze nieuwste resultaten correct zijn, dan is dat een groot probleem.
"Als het echt donkere materie is, zou dit het eerste bewijs zijn dat donkere materie in wisselwerking staat met zichtbare materie door andere krachten dan zwaartekracht", zegt Leane. “De aard van donkere materie is momenteel een van de grootste open vragen in de natuurkunde. Door dit signaal te identificeren als donkere materie, kunnen we eindelijk de fundamentele identiteit van donkere materie blootleggen. Wat het overschot ook blijkt te zijn, we zullen iets nieuws leren over het universum. '
"Het is opwindend omdat we dachten dat we de mogelijkheid hadden uitgesloten dat dit donkere materie is", zei Slatyer in een persbericht. "Maar nu is er een maas in de wet, een systematische fout in de claim die we hebben gemaakt. Het opent de deur weer zodat het signaal van donkere materie komt. '
Dit nieuwe resultaat is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters 'van 11 december.
Meer:
- MIT-persbericht: Is er donkere materie in het midden van de Melkweg?
- Research Paper: Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess
- Wikipedia: Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)
