Огромен облак от невидими частици липсва от Млечния път

В Млечния път може да липсва странното рентгеново сияние, дълго свързвано с тъмната материя в други галактики, откри ново проучване. Ако този светещ ореол наистина липсва – а физиците, които не участват в изследването, са крайно скептично настроени към това откритие – това ще нанесе удар върху теорията, че тъмната материя е съставена от хипотетичното „стерилно неутрино“.

Стерилните неутрино са теоретични призрачни братовчеди на слабите субатомни неутрино, които учените вече са открили.
Авторите на новото изследване, което беше публикувано наскоро в списание Science, са потърсили този светещ ореол по малко по-различен начин от миналите опити – нещо, което поражда най-големия спор сред другите физици.

„От гледна точка на науката, мисля, че фактът, че получаваме много въпроси и голям интерес към нашата работа, е начинът, по който трябва да работи науката“, казва съавторът на изследването астрофизикът Никълъс Род от университета в Бъркли, Калифорния.

„Хората мислят как да търсят тези неутрино с рентгенови лъчи от известно време. Ние наистина имахме нова идея как да ги търсим. И всеки път, когато някой каже: „Имам нова идея как да търсим нещо, различна от това, което сме правили досега, вашият инстинкт трябва да е скептицизъм. Мисля, че това е напълно естественият отговор.“

Тъмната материя е най-голямото неизвестно във Вселената. Учените знаят, че е там, преди всичко, защото те могат да видят ефекта от нейната гравитация в галактиките; известните звезди и газове не са толкова тежки, за да свържат галактиките и да ги държат заедно. Астрофизиците смятат, че галактиките имат невидими „ореоли“ от тъмна материя, осигуряваща липсващата част и представляваща 85% от масата на Вселената. (Има и други доказателства за наличието на тъмна материя, но това е най-голямото.) Те обаче не знаят от какво се състои тази тъмна материя.

Някои теории включват наличието на относително тежки частици, наречени WIMPS. Според други участват свръхлеки частици, наречени аксиони. Има дори екзотични, не широко приети теории, които разчитат на съществуването на малки черни дупки. Но това, което е най-опростено, включва модел на физиците на неутрино – свръхлеките частици, които протичат в пространството, взаимодействайки много слабо с други частици.

В момента има три известни вида неутрино: електронни неутрино, муонни неутрино и тау неутрино. Но някои физици на частици подозират, че има четвърти вид – стерилното неутрино. Това по-тежко неутрино изобщо не би взаимодействало с други частици, освен чрез гравитация и когато се разпада. И поради добавения си обем, то не се движи през пространството толкова бързо, колкото другите неутрино. Това означава, че стерилните неутрино не летят едно до друго, а образуват облаци, което предполага, че те могат да образуват ореоли, както прави тъмната материя.

Има една важна разлика между стерилните неутрино и други кандидати за тъмна материя: С течение на времето стерилните неутрино се разпадат на други частици, които са познати, включително рентгенови фотони. Изследователи през 90-те и началото на 2000-те години предполагат, че разпадащите се ореоли на стерилни неутрино биха създали слаб блясък при определена дължина на вълната в рентгеновия спектър. И през 2014 г., прибавяйки заедно рентгенова светлина, открита от 73 различни галактически клъстери, екип от изследователи от Харвард сякаш открива подобно сияние в очаквания диапазон: слаб шип на рентгенова светлина при енергийно ниво от 3,5 keV – мярка за енергийното ниво на частиците, произвеждащи светлината.

Оттогава десетки последващи проучвания откриват подобни 3,5 kеV светила (наричани линията 3,5 keV) в други групи галактики, макар че поне някои търсения на линията – особено в галактиката Дракон – се оказаха напразни.

Но изследователите в новото проучване твърдят, че линията от 3,5 kеV липсва от най-светлия, най-близък източник на тъмна материя от всички: нашата галактика. Екип от Университетите на Мичиган и Berkeley, преминават през стари рентгенови записи на телескоп и избират рентгенови снимки на „празно небе“ – райони на Млечния път, които нямат звезди, но би трябвало там да има тъмна материя.
Техният голям набор от данни трябва да включва линия от 3,5 kеV, ако тази линия наистина е сигнал за тъмна материя, аргументират се те. Екипът е сравнително сигурен, че Млечния път има тъмна материя. И тя е толкова близо и покрива толкова голяма част от нашето небе, че тъмната материя определено трябва да се покаже в техните данни, ако е там. Както е много по-лесно да забележите голяма крушка в спалнята си, отколкото малка LED на киломтри далеч. Това категорично подсказва, твърдят те, че линията от 3,5 kеV не е сигнал за тъмна материя, което би било главен удар за теорията на стерилното неутрино.

Не всички обаче са съгласни с подобен извод.
Кеворк Абазаджиян, експерт по линията на 3,5 kеV и директор на Центъра за космология в Калифорнийския университет Ървайн, казва: „Основният проблем е, че те използват методи, които не се използват в общността на рентгеновата астрономия и има причини да не се използват. „

Авторите на доклада казват, че изображението има ниска енергийна разделителна способност, а линията от 3,5 kеV би трябвало да се показва ясно в средата му. И тъй като не е там, това предполага, че линията изобщо не е в Млечния път, твърдят те.

В друга статия, която все още не е публикувана в рецензирано списание, но издадена като предпечат, различна група изследователи – експертни рентгенови астрономи, отчитат по-широк кръг от рентгеновия спектър. Използвайки по-широко приети техники, те потърсиха линия от 3,5 kеV в Млечния път. И я намериха.

„Основното оплакване, което чух [за новото проучване], е, че [те гледат] твърде тясно и следователно това, което се случва, е, че всъщност улавят само част от самия сигнал [3.5 keV]“, казва Тим Тайт, шеф на катедрата по физика и астрономия в Калифорнийския университет Ървайн, който не участва в нито едно от изследванията.
Тейт е физик с опит в тъмната материя, който обаче обикновено не работи с рентгенови лъчи.

„Те са много внимателни в работата си и що се отнася до техния анализ, аз не виждам нищо нередно. Но наистина бих искал да видя по-широк диапазон от честоти, за да се види какво става с данните“.
Въпреки скептицизма изразен от техни колеги, Род казва, че е основателно убеден, че неговият екип е показал, че линията от 3,5 kеV не е стерилна неутрино тъмна материя.

Част от основния проблем е, че качеството на наличните рентгенови данни от празните региони на небето не е толкова добро, колкото биха искали учените.

“Настоящите рентгенови телескопи просто нямат енергийната разделителна способност, идеална за този вид изследвания“, казва Род.

Японски рентгенов телескоп, който можеше да реши този проблем, загуби контакт със Земята скоро след старта си през 2016 г. Засега няма твърди планове, поне през следващите десетина години, за пускането на каквито и да е сравними инструменти в космоса, където рентгеновата астрономия е най-ясна и точна.

Дотогава изследователите ще бъдат оставени да чакат данните с по-високо качество, които биха могли да разрешат спора веднъж завинаги.