Koncepcja ciemnej materii pojawiła się w latach 30. XX wieku, kiedy Fritz Zwicky wykazał, że widzialna masa galaktyk nie wystarcza do wyjaśnienia obserwowanych prędkości ich ruchu. Od tego czasu liczne obserwacje – od rotacji galaktyk po soczewkowanie grawitacyjne – potwierdzały istnienie dodatkowego składnika masy, który działa grawitacyjnie, lecz nie wchodzi w interakcje z elektromagnetyzmem.
Czytaj też: Ciemna materia powstała… PRZED wielkim wybuchem. Jak to możliwe?
Przez dziesięciolecia ciemną materię można było badać wyłącznie pośrednio. Jednym z niewielu teoretycznych mechanizmów pozwalających na jej bezpośrednią detekcję jest anihilacja cząstek WIMP (ang. Weakly Interacting Massive Particles), która powinna generować wysokoenergetyczne fotony gamma. Modele przewidują, że sygnału należy szukać w obszarach o dużej koncentracji ciemnej materii – zwłaszcza w halo Drogi Mlecznej.
Czy w końcu znaleźliśmy ślady ciemnej materii?
Prof. Tomonori Totani z University of Tokyo przeanalizował najnowsze dane z NASA Fermi Gamma-ray Space Telescope, obejmujące obszar około 100 stopni wokół centrum galaktyki. Po usunięciu promieniowania pochodzącego z płaszczyzny Drogi Mlecznej oraz innych znanych źródeł astrofizycznych wyodrębniono komponent o morfologii halo, którego kształt odpowiada przewidywanemu rozkładowi ciemnej materii.
Czytaj też: Ciemna materia coraz bliżej odkrycia. Zaskakujące zachowanie gwiazd w pobliskich galaktykach
Najbardziej znaczącą cechą obserwacji jest widoczny pik emisji gamma o energii około 20 GeV. Analiza widma wskazuje, że intensywność i energia sygnału pozostają w zgodzie z teoretycznymi modelami anihilacji WIMP-ów o masie około 500 mas protonowych. Co istotne, obserwowana częstotliwość zdarzeń – wyrażona w natężeniu promieniowania – również odpowiada wartościom wcześniej przewidywanym w literaturze.
Obraz halo Drogi Mlecznej w promieniach gamma (ze szczegółami). Mapa intensywności promieniowania gamma z wyłączeniem składowych innych niż halo, obejmująca ok. 100 stopni w kierunku centrum galaktyki. Poziomy szary pasek w obszarze centralnym odpowiada obszarowi płaszczyzny galaktyki, który został wyłączony z analizy w celu uniknięcia silnego promieniowania astrofizycznego /Fot. University of Tokyo
Prof. Totani podkreśla, że zgromadzone dane trudno interpretować w kategoriach znanych procesów astrofizycznych. Emisja nie odpowiada typowym źródłom gamma, takim jak pulsary, pozostałości po supernowych czy oddziaływania promieniowania kosmicznego z gazem międzygwiazdowym. Ze względu na morfologię i energię sygnału autor uznaje go za potencjalnie najsilniejszy dotąd kandydat na fotony pochodzące z anihilacji ciemnej materii:
Jeśli interpretacja jest prawidłowa, byłaby to pierwsza sytuacja, w której ludzkość bezpośrednio “widzi” ciemną materię; w dodatku wskazuje to na istnienie cząstki spoza standardowego modelu fizyki.
Pomimo zgodności obserwacji z modelami teoretycznymi autor podkreśla konieczność niezależnych analiz. Kluczowe będzie potwierdzenie sygnału w innych obiektach o wysokiej koncentracji ciemnej materii, zwłaszcza w galaktykach karłowatych wokół Drogi Mlecznej. Wykrycie fotonów gamma o tej samej energii w tych dodatkowych regionach znacząco wzmocniłoby argument na rzecz interpretacji WIMP.
Prof. Totani przewiduje, że rozszerzone zbiory danych z teleskopu Fermi i przyszłe instrumenty obserwacyjne mogą w najbliższych latach umożliwić jednoznaczną ocenę źródła emisji halo. Jeżeli wyniki zostaną potwierdzone, odkrycie to stanie się jednym z najważniejszych wydarzeń w astrofizyce i fizyce cząstek elementarnych od czasu wykrycia bozonu Higgsa i fal grawitacyjnych.
Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, która nie emituje, nie odbija ani nie pochłania światła – dlatego pozostaje całkowicie niewidoczna dla teleskopów obserwujących Wszechświat w dowolnym zakresie promieniowania elektromagnetycznego. Jej istnienie wnioskuje się wyłącznie z efektów grawitacyjnych: decyduje o prędkościach rotacji galaktyk, stabilizuje gromady galaktyk, wpływa na ukształtowanie wielkoskalowej struktury kosmosu i pozostawia charakterystyczne sygnatury w zjawisku soczewkowania grawitacyjnego. Według współczesnych modeli odpowiada za około 85 proc. całkowitej masy Wszechświata, choć jej natura wciąż pozostaje nieznana.
