Šta ako tamna materija dolazi u dva stanja?

Odsustvo signala moglo bi samo po sebi biti signal. To je ideja iza nove studije objavljene u Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), čiji je cilj da redefiniše način na koji tragamo za tamnom materijom. Ona pokazuje da da možda nije neophodno pronaći iste „tragove“ svuda kako bismo ih protumačili, piše EurekAlert!

Konkretno, studija sugeriše da čak i ako uočimo određenu vrstu signala u centru naše galaksije – višak gama-zračenja koji bi mogao nastati usled anihilacije čestica tamne materije – neuspeh u detektovanju istog signala u drugim sistemima, kao što su patuljaste galaksije, nije dovoljan da bi se ovo objašnjenje odbacilo.

Preporučujemo

- Predstavljamo mehanizam koji omogućava termičkoj reliktnoj tamnoj materiji da efikasno anihilira u galaktičkom halou i jatima galaksija, ali ne i u okruženjima sa nižim brzinama patuljastih sferoidnih (dSph) galaksija. Ovo realizujemo u okviru potpunog modela u kojem se tamna materija sastoji od dva različita stanja razdvojena malom razlikom u masi. Signal indirektne detekcije generiše se isključivo putem koanihilacije ova dva stanja, što zahteva prisustvo oba – naveli su autori u studiji.

Tamna materija se, zapravo, možda ne sastoji od jedne čestice, već od više neznatno različitih komponenti čije ponašanje varira u zavisnosti od kosmičkog okruženja.

Višak gama-zraka u galaktičkom centru

Tamna materija: znamo da postoji i da je ima u izobilju, ali je nikada nismo direktno posmatrali i stoga još ne znamo šta je ona zapravo. Decenijama je ona glavni fokus kosmologa i astrofizičara koji pokušavaju da razumeju njenu prirodu. Njeno prisustvo se zaključuje uglavnom na osnovu gravitacionih efekata koje vrši na vidljivu materiju, ali do sada nijedna od predloženih hipoteza nije dobila definitivnu potvrdu iz podataka. Potraga se, zato, nastavlja.

Mnogi vodeći modeli tamne materije opisuju je kao sačinjenu od čestica. U nekim od ovih scenarija, kada se dve čestice sretnu, one mogu da se unište, proizvodeći visokoenergetsko zračenje poput gama-zraka, koje astronomi pokušavaju da detektuju.

- Trenutno se čini da postoji višak fotona koji dolazi iz približno sfernog regiona koji okružuje disk Mlečnog puta - objašnjava Gordan Krnjaić, teorijski fizičar u Nacionalnoj akceleratorskoj laboratoriji Fermi (Fermilab) u Sjedinjenim Državama i jedan od autora studije.

Ovaj višak fotona gama-zračenja koji je uočio svemirski teleskop Fermi mogao bi biti posledica anihilacije tamne materije. Međutim, postoje i alternativna objašnjenja, prema kojima bi emisiju gama-zračenja proizvodili astrofizički izvori kao što je populacija pulsara.

Da bi se ovo pitanje rešilo, neophodno je pogledati negde drugde.

- Ako su određene teorije o tamnoj materiji tačne, trebalo bi da je vidimo u svakoj galaksiji, na primer u svakoj patuljastoj galaksiji - objašnjava Krnjaić.

Patuljaste galaksije

Patuljaste galaksije su veoma mali i bledi sistemi, ali su izuzetno bogati tamnom materijom. One imaju veoma malo astrofizičke pozadine – manje zvezda i manje običnog zračenja – i stoga predstavljaju idealna okruženja za potragu za „čistim“ signalima.

Standardne teorije koje opisuju tamnu materiju kao sačinjenu od čestica generalno predviđaju dve mogućnosti za to kako se ove čestice anihiliraju. U najjednostavnijem slučaju, verovatnoća anihilacije je konstantna i ne zavisi od brzine čestica: u ovom scenariju, ako uočimo signal u centru naše galaksije, trebalo bi da očekujemo da ćemo ga videti i u drugim sistemima bogatim tamnom materijom, kao što su patuljaste galaksije.

U drugom slučaju, verovatnoća anihilacije zavisi od brzine čestica. Pošto se čestice tamne materije u galaksijama kreću veoma malim brzinama, ova vrsta interakcije čini anihilaciju izuzetno retkom, pa je signal praktično nevidljiv svuda. U okviru ovakvog pristupa, odsustvo signala u patuljastim galaksijama otežalo bi tumačenje viška gama-zračenja u centru naše galaksije kao posledice tamne materije.

Krnjaić i saradnici, međutim, opisuju alternativni, složeniji scenario koji bi mogao objasniti odsustvo signala u patuljastim galaksijama, dok bi i dalje zadržao tumačenje signala uočenog u Mlečnom putu kao mogućeg efekta tamne materije.

Dve različite čestice

- Ono što pokušavamo da istaknemo u ovom radu jeste da biste mogli imati drugačiju vrstu zavisnosti od okruženja, čak i ako je verovatnoća anihilacije konstantna u centru galaksije. Tamna materija bi jednostavno mogla da bude sačinjena od dve različite čestice, i te dve čestice moraju da pronađu jedna drugu kako bi se anihilirale - objašnjava Krnjaić.

Verovatnoća da se dve komponente tamne materije sretnu i anihiliraju takođe bi zavisila od odnosa između ove dve čestice unutar svakog astrofizičkog sistema. Ovaj odnos bi mogao biti različit u galaksijama kao što je naša – gde bi dve vrste čestica mogle biti prisutne u sličnim proporcijama – i u patuljastim galaksijama, gde bi odnos mogao biti izrazito neuravnotežen.

- Na taj način dobijate veoma različita predviđanja za emisiju - objašnjava Krnjaić.

Model koji predlažu Krnjaić i njegove kolege stoga predstavlja fleksibilniju alternativu najjednostavnijem standardnom scenariju, jer omogućava objašnjenje odsustva gama-signala u patuljastim galaksijama bez odbacivanja porekla signala u Mlečnom putu iz tamne materije.

U budućnosti, teleskop Fermi bi mogao pružiti preciznije podatke o patuljastim galaksijama – koji su trenutno još ograničeni – pomažući da se razjasni da li ovi sistemi emituju gama-zračenje ili ne. U principu, uočavanje signala bilo bi kompatibilno sa sličnom distribucijom dve komponente i u patuljastim galaksijama, dok bi njegovo odsustvo moglo sugerisati da je jedna od njih manje zastupljena. Međutim, ovo tumačenje nije jedinstveno i zavisi od dodatnih astrofizičkih faktora, zbog čega je neophodno uporediti model sa širim spektrom posmatranja.

(Telegraf Nauka/EurekAlert!)