Составляющая темной материи во Вселенной превышает количество обычного, наблюдаемого вещества примерно в пять раз. Исследователи могут определить наличие и распределение темной материи, анализируя ее гравитационное влияние, однако непосредственное обнаружение или расчет массы ее частиц пока невозможен. В новой научной работе продемонстрировано, что аномальное поведение газа в центре нашей Галактики может быть вызвано аннигиляцией частиц темной материи, что позволяет оценить их массу.
Область в центре Млечного Пути, находящаяся на удалении около 26 тысяч световых лет от Земли, представляет собой, как и следовало ожидать, регион повышенной активности. Астрономы уже давно применяют для исследований эту область, охватываемую радиусом примерно 3,2 тысячи световых лет, рассматривая её как площадку для изучения физических процессов в экстремальных средах. Особый интерес представляет центральная молекулярная зона (CMZ), характеризующаяся наличием массивных и плотных молекулярных облаков.
Область CMZ неравномерно распределена вокруг центра Галактики и имеет диаметр от 1,6 до 1,9 тысяч световых лет. Вблизи центра плотность газа значительно выше. Эта область существенно отличается от остальной части Галактики по плотности, температуре и динамике газа, которого там сосредоточено около 60 миллионов солнечных масс. Кроме того, существует еще одно важное отличие: газ в этой области обладает гораздо более высокой степенью ионизации, в сотни и даже тысячу раз превышающей показатели в других областях Галактики.
«В области, находящейся в центре нашей Галактики, обнаружены обширные скопления положительно заряженного водорода, которые на протяжении многих лет вызывают удивление у специалистов, поскольку обычно такой газ существует в нейтральном состоянии. Что является источником достаточной энергии для отделения электронов от молекул? Анализ характеристик энергии, излучаемой из этого региона Галактики, указывает на постоянный и интенсивный источник. Согласно нашим исследованиям, это может быть более легкая форма темной материи, отличная от той, что рассматривается в современных теориях», — объяснил один из трех авторов нового исследования Шайям Балажи (Shyam Balaji), физик-теоретик из Королевского колледжа Лондона, специализирующийся на изучении физики астрочастиц и космологии.
Высокая плотность газа препятствует проникновению ультрафиолетового и рентгеновского излучения в центральную молекулярную зону, что исключает его ионизирующее воздействие. В качестве единственного «традиционного» источника энергии остаются космические лучи. Однако и они продемонстрировали недостаточную эффективность в передаче энергии, поскольку показали расчеты, проведенные в исследовании, опубликованном в 2024 году в журнале Astronomy & Astrophysics. К тому же, космические лучи не способны обеспечивать стабильный и равномерный поток энергии.
В качестве альтернативного объяснения авторы новой статьи рассматривают частицы темной материи. Предполагается, что аннигилируя, эти гипотетические частицы распадаются на электрон-позитронную пару, которая, разделяясь, передает энергию окружающему газу. Если газ достаточно плотный, а энергия частиц достигает десятков миллионов электронвольт, то они смогут распространяться всего на несколько сотен световых лет, оставаясь в пределах облаков CMZ. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Существенное ограничение на массу частиц темной материи заключается в том, что она должна быть относительно небольшой, не превышая 100 миллионов электронвольт. Недавно наиболее распространенной гипотезой о природе темной материи были вимпы — гипотетические массивные частицы, слабо взаимодействующие с другими, и обладающие массой в миллиарды электронвольт, однако в последние годы эта теория подвергается все большему сомнению подвергаются сомнению. Авторы недавнего исследования также полагают, что масса частиц темной материи должна быть меньше.
Выдвинутая учеными модель структуры и свойств частиц темной материи способна объяснить происхождение гамма-излучения с энергией 511 килоэлектронвольт, регистрируемого в центре нашей Галактики. Данное излучение является следствием аннигиляции позитронов и электронов. Постоянным источником позитронов в центральной части Млечного Пути могут служить распадающиеся частицы темной материи небольшой массы, вызывающие ионизацию плотных газовых облаков.