Объяснение избытка гамма-излучения, поступающего из центра Млечного Пути, было найдено. Наиболее вероятным источником этой активности является популяция миллисекундных пульсаров, ранее не учтенная в расчетах, которая формируется посредством необычного процесса.
Тёмная материя – наиболее значительная и таинственная из известных компонентов Вселенной. Она формирует до 85% всей гравитационной массы, однако до настоящего времени не удалось зафиксировать ее непосредственное присутствие. Темная материя присутствовала в ранних эпохах Вселенной, и ее скопления способствовали образованию галактик, а сейчас она «скрепляет» их содержимое посредством гравитации — вот и практически и все, что о ней достоверно известно.
В качестве одного из возможных объяснений существования темной материи рассматриваются так называемые вимпы (WIMPs, weakly interacting massive particles), или слабовзаимодействующие массивные частицы. Согласно гипотезе, они могли возникнуть сразу после Большого Взрыва, когда энергия частиц была значительно выше, чем та, что доступна в современных коллайдерах, а затем, по мере остывания, сформировали стабильные структуры, сравнимые по размерам с галактиками. Возможно, частицы темной материи представляют собой майорановскими фермионами и аннигилировать друг с другом — тогда их можно было бы попытаться засечь по рассеянному гамма-излучению, исходящему из областей их высокой концентрации (то есть центров галактик).
В ходе анализа данных, полученных с космического телескопа, было зарегистрировано аналогичное излучение «Ферми», обзор неба в гамма-лучах показал, что излучение с энергией примерно два гигаэлектронвольта превышает ожидаемый уровень. Оно исходит из нескольких центральных килопарсек нашей галактики и направлено к ее центру. Ранее не представлялось возможным полностью объяснить этот избыток, опираясь на известные физические процессы, и исследователи неоднократно выдвигали гипотезу о его связи с аннигиляцией темной материи.
Астрономам было непросто в этой работе. Масса частиц темной материи остается неизвестной, а энергия, выделяемая при их аннигиляции, может варьироваться в широком диапазоне — от нескольких кило- до сотен гигаэлектронвольт. Для сравнения, энергия видимого света составляет два-три электронвольта, а излучение в медицинском рентгеновском аппарате — десятки килоэлектронвольт. Обнаружение сигнала среди множества других процессов напоминает поиск иголки в стоге бурном и неизведанном регионе, как центр Галактики.
Группа исследователей под руководством Ануджа Гаутама, работающего в Австралийском национальном университете, проанализировала потенциальные процессы, лежащие в основе формирования пульсаров, обнаружены источники, способные генерировать избыточное гамма-излучение. Ученые выяснили, что его испускает ранее не идентифицированная группа нейтронных звезд, расположенная в центре нашей галактики Млечный Путь.
Нейтронные звезды — одни из наиболее экстремальных объектов во Вселенной — обладают широким спектром механизмов для излучения энергии в высоком диапазоне, и в центрах галактик они встречаются довольно часто. Как правило, они формируются в процессе взрывов сверхновых, и пульсары с коротким периодом вращения могут генерировать подобное излучение, обнаруженное при обработке данных, полученных телескопом «Ферми». Однако предыдущие исследования, направленные на объяснение этого явления, сталкивались с трудностями.
Непосредственное наблюдение пульсаров на таких дистанциях – редкое явление, однако массивные звезды нередко входят в состав кратных звездных систем. Численность таких систем, достаточная для формирования необходимого числа пульсаров, привела бы и к избыточной численности рентгеновских двойных — а их в центре Галактики было бы хорошо заметно. К тому же, при образовании в результате взрыва сверхновой, пульсары нередко получают мощную отдачу и улетают прочь в случайном направлении. Такие пульсары просто не смогли бы «столпиться» в центре галактики.
Несмотря на это, совпадение предполагаемого и наблюдаемого спектра излучения пульсаров настолько велико, что отказ от данного объяснения кажется нецелесообразным. Исследователи изучили, могут ли альтернативные процессы генерировать необходимое количество пульсаров, и выяснили, что один из них – коллапс массивных белых карликов, образующих двойные звездные системы – вполне подходит.
Обычно аккреция вещества звезды-компаньона белым карликом приводит к вспышкам новых. Когда белый карлик набирает слишком много массы, водород на его поверхности подвергается взрыву и выбрасывается в космическое пространство. Затем начинается повторное накопление вещества, однако некоторая доля продуктов реакции задерживается на поверхности карлика, что ограничивает возможность бесконечного повторения этого цикла и приводит к его завершению предела Чандрасекара. По мере сближения с белым карликом вещество подвергается интенсивному сжатию и нагреву, что приводит к запуску термоядерной реакции, охватывающей его всю массу.
Итоговый результат зависит от химического состава белого карлика: чем больше в его составе легких элементов, тем интенсивнее высвобождается энергия во время взрыва. Белые карлики, состоящие преимущественно из углерода и кислорода, взрываются полностью, превращаясь в сверхновыми первого типа, а кислород-неоновые звезды, энергия взрыва которых недостаточна для полного рассеивания их вещества, схлопываются, образуя пульсары.
Выяснилось, что в центральной области Млечного Пути может присутствовать достаточное количество пульсаров, чтобы разрешить несоответствие между предсказанным и зафиксированным гамма-излучением, а также объяснить рассеянное микроволновое излучение, регистрируемое из центра Галактики.
В результате этого, темная материя вновь оказалась недоступной для прямого изучения, и наши представления о ней остаются основанными на косвенных данных. Поиски иголки в стоге сена продолжаются, и приводят к появлению все новых и новых знаний о самом стоге.