Η σκοτεινή ύλη παίρνει μια αναβολή στη νέα ανάλυση

Επανεκτύπωση με άδεια από Quanta Το ιστολόγιο Abstractions του περιοδικού.

Το γαλαξιακό κέντρο λάμπει πολύ έντονα, σαν τη λάμψη μιας μητρόπολης τη νύχτα όπου οι χάρτες δείχνουν μόνο μια πόλη. Για να επιδιορθώσουν την κοσμική τους χαρτογραφία, οι αστροφυσικοί έχουν περάσει χρόνια συζητώντας τι θα μπορούσε να τροφοδοτεί αυτήν την περίσσεια ενεργειακού φωτός. Το 2015 τα επιχειρήματα φάνηκαν να κινούνται αποφασιστικά υπέρ μιας κάπως πεζής εξήγησης — ότι ένας μεγάλος πληθυσμός αμυδρά αστέρια νετρονίων ήταν υπεύθυνος. Αλλά μια νέα εξέταση αυτής της εργασίας, που δημοσιεύτηκε στον επιστημονικό ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org νωρίτερα αυτό το μήνα, αποκάλυψε ένα πιθανό ελάττωμα σε αυτές τις αναλύσεις. "Υπάρχει κάτι που συμβαίνει στα δεδομένα που δεν καταλαβαίνουμε", δήλωσε η Rebecca Leane, θεωρητική φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και συν-συγγραφέας της εργασίας.

Η νέα μελέτη, μαζί με δύο άλλες που κυκλοφόρησαν τον Μάρτιο, ανοίγει ξανά την πιθανότητα τα όργανα που βασίζονται στο διάστημα να έχουν βρει τις πρώτες άμεσες ενδείξεις της άπιαστης «σκοτεινής ύλης» που πιστεύεται ότι διαπερνά το σύμπαν.

Το πρόβλημα εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 2009, όταν ο Νταν Χούπερ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, και η Λίζα Γκούντεναφ, τότε μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, παρατήρησαν ότι το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi της NASA φαινόταν να συλλαμβάνει  πάρα πολλά από τα ενεργειακά φωτόνια γνωστά ως ακτίνες γάμμα.

Πρότεινε ότι η ανωμαλία θα μπορούσε να προέρχεται από ένα θεωρητικό πλήθος σωματιδίων σκοτεινής ύλης στο κέντρο του γαλαξία. Ενώ η σκοτεινή ύλη δεν λάμπει ή δεν συγγενεύει με γνωστά σωματίδια, στο σωστό είδος σύγκρουσης αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να εκμηδενιστούν σε μια βροχή οικείας ύλης και αντιύλης που στη συνέχεια θα σβήνουν με μια ρουφηξιά ακτίνες γάμμα. Μια μέτρηση αυτών των παραφυάδων θα αντιπροσώπευε την πρώτη ένδειξη σκοτεινής ύλης που δεν ήταν αποκλειστικά βαρυτικής φύσης.

Ωστόσο, η σκοτεινή ύλη δεν ήταν το μόνο πράγμα που θα μπορούσε να παράγει τις υπερβολικές ακτίνες γάμμα. Θα μπορούσαν να λάμπουν από κοσμικούς φάρους γνωστούς ως πάλσαρ χιλιοστών του δευτερολέπτου—μαγνητικά φορτισμένα αστέρια νετρονίων που κάνουν χίλιες στροφές κάθε δευτερόλεπτο. Μια ομάδα άγνωστων πάλσαρ που είναι πολύ αμυδρά για να τα ξεχωρίσουμε μεμονωμένα θα μπορούσε να λούζει το κέντρο του γαλαξία με επιπλέον ακτίνες γάμμα.

Τελικά, δύο μελέτες που κυκλοφόρησαν το 2015 έστριψαν προς τα εγκόσμια. Τα δεδομένα Fermi έμοιαζαν κοκκώδη. Είχε φωτεινά pixel που υποδηλώνουν πάλσαρ πολλαπλών χιλιοστών του δευτερολέπτου και αμυδρά εικονοστοιχεία που υποδηλώνουν ότι δεν υπάρχουν πάλσαρ. Εάν η σκοτεινή ύλη ήταν ο ένοχος, θα έπρεπε να χρωματίσει όλα τα pixel πιο ομοιόμορφα. Η ερμηνεία της σκοτεινής ύλης, φαινόταν, πέθαινε.

Τώρα η Λιν και η Τρέισι Σλάιερ, θεωρητικός φυσικός στο MIT και συν-συγγραφέας μιας από αυτές τις μελέτες πάλσαρ του 2015, έχουν δώσει λίγη ζωή στην επιλογή της σκοτεινής ύλης.

Πρώτα, το δίδυμο έφτιαξε μια ψηφιακή αναπαράσταση του γαλαξία του Γαλαξία. Πρόσθεσαν τα γνωστά συστατικά:αστέρια, αέριο, σκόνη και γνωστά πάλσαρ. Στη συνέχεια συμπεριέλαβαν τα υποθετικά συστατικά - όχι μόνο μια σημαντική βοήθεια της σκοτεινής ύλης αλλά και μερικά επιπλέον μικρά πάλσαρ που δεν είχαν καταγραφεί στην αρχική μακέτα. Μελέτησαν αυτόν τον ψεύτικο Γαλαξία χρησιμοποιώντας τις ίδιες μεθόδους από το 2015, για να δουν αν μπορούσαν να βρουν τη σκοτεινή ύλη. Τελικά έμαθαν ότι τα απροσδόκητα πάλσαρ απέρριψαν την ανάλυση, οδηγώντας στο εσφαλμένο συμπέρασμα ότι αυτός ο γεμάτος σκοτεινή ύλη γαλαξίας είχε λίγη σκοτεινή ύλη.

Ο ψηφιακός Γαλαξίας χρησίμευσε ως απόδειξη της ιδέας για το πώς οι εκπληκτικές προσθήκες θα μπορούσαν να αλλάξουν τα αποτελέσματα, αλλά για να δουν αν κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να επηρεάσει τον πραγματικό γαλαξία, οι Leane και Slatyer πρόσθεσαν δεδομένα ψευδούς σκοτεινής ύλης στα πραγματικά δεδομένα Fermi. Αλλά και πάλι, διαπίστωσαν ότι η ανάλυση των δεδομένων τους δεν εντόπισε σωστά την προστιθέμενη σκοτεινή ύλη. Αντίθετα, έδωσε πάρα πολλά εύσημα σε κοκκώδη σημεία που μοιάζουν με πάλσαρ. Και όσο περισσότερα σκοτεινά πράγματα πρόσθεταν, τόσο περισσότερο το μοντέλο παρερμήνευε αυτή τη σκοτεινή ύλη για πάλσαρ. Η τεχνική απέτυχε να μυρίσει καμία από την ψεύτικη σκοτεινή ύλη έως ότου οι ερευνητές είχαν κάνει αρκετή ένεση ώστε να εξηγηθεί η παρατηρούμενη λάμψη των ακτίνων γάμμα πέντε φορές.

Το συμπέρασμά τους:Η προηγούμενη ανάλυση δεν επρόκειτο ποτέ να βρει τη σκοτεινή ύλη, ανεξάρτητα από το αν υπάρχει. "Κάτι σχετικά με την κατανόησή μας για τις ακτίνες γάμμα λείπει σε αυτό το στάδιο", είπε ο Leane. "Είναι δυνατό να κρύψετε ένα σήμα σκοτεινής ύλης, αν ήταν πραγματικά εκεί."

Ο Alessandro Cuoco, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άαχεν στη Γερμανία, ο οποίος έχει εργαστεί με την ίδια τεχνική σε άλλα μέρη του γαλαξία, δεν εκπλήσσεται όταν ακούει ότι η ετυμηγορία του πάλσαρ μπορεί να είναι πρόωρη. Η μέθοδος βασίζεται σε εκτιμήσεις για το από πού ακριβώς θα πρέπει να προέρχονται οι ακτίνες γάμμα, και αν είστε μακριά, ολόκληρο το σπίτι των φύλλων πέφτει κάτω. «Πρόκειται για μια εξαιρετικά λεπτή ανάλυση. Πρέπει να λάβετε υπόψη πολύ μικρές λεπτομέρειες», είπε, «και μπορούν να αλλάξουν σημαντικά τα συμπεράσματά σας».

Οι ερευνητές τονίζουν ότι αυτό το αποτέλεσμα δεν περιέχει νέα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη. Αντίθετα, αποδυναμώνει την ανταγωνιστική εξήγηση για τη λάμψη των ακτίνων γάμμα του γαλαξία. "Βάζει την εξήγηση της σκοτεινής ύλης σε ελαφρώς καλύτερη μορφή", δήλωσε ο Martin Winkler, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης.

Επιπλέον, δύο προεκτυπώσεις που εκδόθηκαν τον Μάρτιο —μία συν-συγγραφέας του Cuoco, μια άλλη από τον Hooper— προσφέρουν συμπληρωματική υποστήριξη για την υπόθεση της σκοτεινής ύλης. Και οι δύο ανέλυσαν πρόσφατα δεδομένα από το πείραμα Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού. Οι νέες μελέτες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το πείραμα AMS ανίχνευσε υψηλότερα από τα αναμενόμενα επίπεδα αντιπρωτονίων — άλλο ένα πιθανό υπόλειμμα συγκρούσεων σκοτεινής ύλης.

Επιπλέον, το είδος των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης που θα χρειαζόταν για την παραγωγή των δεδομένων AMS είναι περίπου το ίδιο είδος σωματιδίων σκοτεινής ύλης που θα χρειαζόταν για να παραχθεί η παρατηρούμενη λάμψη ακτίνων γάμμα στο κέντρο του γαλαξία. Η επικάλυψη ενθάρρυνε ορισμένους αστροφυσικούς να πιστέψουν ότι μπορεί να εξετάζουν μια εξήγηση δύο προς ένα.

Ωστόσο, τα δεδομένα της AMS απέχουν πολύ από το να είναι πειστικά. Το σύμπαν έχει πολλούς τρόπους για να φτιάξει αντιπρωτόνια - τα περισσότερα από αυτά που έρχονται με φερμουάρ από τη Γη είναι από κοσμικές ακτίνες που πέφτουν στα νέφη αερίων - και οποιαδήποτε ανάλυση πρέπει να λαμβάνει επακριβώς υπόψη όλες τις γνωστές πηγές. Το κόλπο είναι να καταλάβουμε εάν η μικρή ανοδική τάση του AMS υποδηλώνει την ύπαρξη σκοτεινής ύλης ή αν είναι απλώς ένα σφάλμα στρογγυλοποίησης, είπε ο Tim Linden, αστροφυσικός στο State University του Οχάιο που συνέγραψε τη δεύτερη από τις πρόσφατες εργασίες. Η ομάδα του βρήκε μέτρια υποστήριξη για μια ερμηνεία της σκοτεινής ύλης, αλλά μόνο αν υπολόγιζε σωστά πώς ταξιδεύουν οι κοσμικές ακτίνες, πώς παγιδεύονται τα πρωτόνια σε σουπερνόβα και πόσο δυνατά φυσά ο ηλιακός άνεμος. Τα μαθηματικά είναι πιθανώς σωστά, είπε ο Linden, αλλά ο διάβολος είναι στις υποθέσεις:«Αν μου λέγατε ότι το υπόβαθρο που χρησιμοποιούσαμε είναι η πραγματική πραγματικότητα, θα έτρεχα τριγύρω ουρλιάζοντας, «Σκοτεινή ύλη!» αυτή τη στιγμή». /P>

Οι Cuoco, Linden και Winkler λένε ότι οι λεπτομέρειες σχετικά με το όργανο AMS και οι ακριβείς μετρήσεις πρωτονίων από επιταχυντές σωματιδίων θα βοηθήσουν στη βελτίωση των μοντέλων τους. Ένα πιο ξεκάθαρο σημείο για τη σκοτεινή ύλη, ωστόσο, θα ήταν αν το AMS ή κάποιο άλλο πείραμα σε μεγάλο υψόμετρο βρεί βαρύτερα, ξυλουργικά σωματίδια αντιύλης, τα οποία σπάνια παράγουν οι κοσμικές ακτίνες. «Αυτό θα ήταν ένα όπλο που καπνίζει», είπε ο Winkler.

Οι ειδικοί εκφράζουν αισιοδοξία ότι με αυτές τις εισροές, οι τρέχοντες πόλεμοι μοντελοποίησης θα μπορούσαν να καταλαγιάσουν μέσα σε λίγα χρόνια. Και τώρα που η λάμψη των ακτίνων γάμμα επιστρέφει στο τραπέζι, οι ελπίδες για τη σκοτεινή ύλη φαίνονται κάπως πιο φωτεινές. «Εάν η περίσσεια του γαλαξιακού κέντρου επανέλθει στο παιχνίδι», είπε ο Leane για τις μετρήσεις αντιπρωτονίων, «δυνητικά βλέπουμε το πρώτο σήμα της σκοτεινής ύλης».

Ο Τσάρλι Γουντ είναι δημοσιογράφος που καλύπτει τις εξελίξεις στις φυσικές επιστήμες εντός και εκτός του πλανήτη. Το έργο του εμφανίστηκε στο  Scientific American,  Το Christian Science Monitor και  LiveScience, μεταξύ άλλων δημοσιεύσεων. Προηγουμένως, δίδασκε φυσική και αγγλικά στη Μοζαμβίκη και την Ιαπωνία, ενώ έχει πτυχίο φυσικής από το Πανεπιστήμιο Brown.