Η μυστηριώδης γαλαξιακή λάμψη μπορεί να αποκαλύψει κρυμμένα πάλσαρ, όχι σκοτεινή ύλη

Μια σειρά από ανωμαλίες υψηλής ενέργειας δημιούργησαν ελπίδες ότι οι αστροφυσικοί είχαν δει τις πρώτες τους άμεσες αναλαμπές της σκοτεινής ύλης. Νέες μελέτες δείχνουν ότι μια διαφορετική πηγή μπορεί να ευθύνεται.

Άποψη ενός καλλιτέχνη ενός πάλσαρ κοντά στο κέντρο του γαλαξία Messier 82.

Εισαγωγή

Το 2009, ο Νταν Χούπερ και οι συνεργάτες του βρήκαν μια λάμψη που προερχόταν από το κέντρο του γαλαξία μας που κανείς δεν είχε παρατηρήσει ποτέ πριν. Μετά την ανάλυση των δημοσίως διαθέσιμων δεδομένων από το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi, έναν δορυφόρο που εκτοξεύτηκε ένα χρόνο νωρίτερα, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το κέντρο του Γαλαξία μας ακτινοβολούσε περισσότερες ακτίνες γάμμα από όσες μπορούσαν να υπολογίσουν οι αστροφυσικοί.

Το εύρημα ήταν τόσο απροσδόκητο που, τότε, λίγοι πίστευαν ότι ήταν αληθινό. Δεν βοήθησε το γεγονός ότι ο Hooper δεν ήταν μέλος της συνεργασίας Fermi, αλλά μάλλον ένας αουτσάιντερ που επιλέγει τα δεδομένα που δημοσιοποίησε η ομάδα Fermi. Ένας από τους επιστήμονες που εργάζονταν στον Fermi αποκάλεσε το έργο του "ερασιτεχνικό", υποστηρίζοντας ότι ο Hooper απλά δεν ήξερε πώς να ερμηνεύσει σωστά τα δεδομένα.

Ωστόσο, όσο περνούσε ο καιρός, οι αστροφυσικοί άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι υπάρχει πολύ περισσότερη ακτινοβολία υψηλής ενέργειας που διαρρέει τον γαλαξία από ό,τι μπορούσαν να εξηγήσουν. Μόλις ένα χρόνο πριν ο Hooper αρχίσει να αναλύει δεδομένα Fermi, ένας ανιχνευτής ακτίνων γάμμα στο Νέο Μεξικό που ονομάζεται Milagro είχε βρει μια αφθονία υπερ-ενεργητικών ακτίνων γάμμα που φαινόταν να προέρχονται από όλο το γαλαξιακό επίπεδο. Και το 2014, το Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), ένα πείραμα στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, βρήκε περισσότερη αντιύλη που ρέει μέσω του γαλαξία από ό,τι θα μπορούσε να υπολογιστεί, επιβεβαιώνοντας προηγούμενες παρατηρήσεις από πειράματα δορυφόρου και μπαλονιών.

Αυτές οι τρεις ανωμαλίες - αν ήταν αληθινές - έδειξαν ότι κάτι συνέβαινε στο σύμπαν για το οποίο δεν γνωρίζαμε. Αρκετοί αστροφυσικοί, συμπεριλαμβανομένου του Χούπερ, άρχισαν να υποστηρίζουν ότι δύο από αυτά τα μυστηριώδη σήματα ήταν μια αστροφυσική ηχώ της σκοτεινής ύλης, της βαθιάς μυστηριώδους ουσίας που πιστεύεται ότι αποτελεί περίπου το ένα τέταρτο του σύμπαντος.

Φέτος, σχεδόν μια δεκαετία μετά την εκτόξευση του τηλεσκοπίου Fermi, οι ερευνητές έχουν σχεδόν καταλήξει σε συναίνεση. Πρώτον, σχεδόν όλοι οι αστροφυσικοί συμφωνούν τώρα ότι το κέντρο του Γαλαξία μας παράγει πολύ περισσότερη ακτινοβολία γάμμα από ό,τι υποδεικνύουν τα μοντέλα μας με γνωστές πηγές ακτίνων γάμμα, είπε ο Luigi Tibaldo, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και μέλος της συνεργασίας Fermi, επικυρώνοντας έτσι τους άλλοτε «ερασιτεχνικούς» ισχυρισμούς του Hooper.

Δεύτερον, όλη αυτή η επιπλέον ακτινοβολία μάλλον δεν οφείλεται στη σκοτεινή ύλη. Μια σειρά από πρόσφατες μελέτες έχουν πείσει πολλούς ερευνητές ότι τα πάλσαρ - ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων - μπορούν να εξηγήσουν και τα τρία μυστήρια.

Το μόνο πρόβλημα είναι ότι κανείς δεν φαίνεται να μπορεί να τα βρει.

Ημέρες σκοτεινής ύλης

Το κέντρο του γαλαξία είναι ένα πολυσύχναστο μέρος, πυκνό με αστέρια, σκόνη και — πιθανώς — σκοτεινή ύλη. Οι αστροφυσικοί πίστευαν από καιρό ότι η σκοτεινή ύλη πιθανότατα αποτελείται από σωματίδια που δεν αλληλεπιδρούν εύκολα με τη συνηθισμένη ύλη - τα λεγόμενα «ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια» ή WIMP. Περιστασιακά αυτά τα WIMP ενδέχεται να συγκρούονται μεταξύ τους. Όταν το κάνουν, θα μπορούσαν να παράγουν ακτίνες γάμμα. Ίσως αυτό ακριβώς συμβαίνει στο γαλαξιακό κέντρο, πρότεινε ο Χούπερ το 2009.

Η θεωρία συνδυάστηκε με μια άλλη ιδέα που είχε διατυπώσει ο Χούπερ μόλις ένα χρόνο νωρίτερα. Το 2008, μαζί με τρεις συν-συγγραφείς δημοσίευσαν μια εργασία υποστηρίζοντας ότι οι συγκρούσεις των ουδετερινών - ένας τύπος WIMP - δημιούργησαν βροχές εξωτικών σωματιδίων που στη συνέχεια διασπώνται σε στοιχειώδη σωματίδια. Η διαδικασία θα εξηγούσε τα ασυνήθιστα υψηλά επίπεδα ποζιτρονίων (το αντίστοιχο της αντιύλης των ηλεκτρονίων) που βρέθηκαν νωρίτερα από ένα πείραμα που βασίζεται στο διάστημα που ονομάζεται Pamela.

Σε αυτή την περίπτωση, ο Χούπερ είχε καλή παρέα. Από τα πρώτα αποτελέσματα της Πάμελα, «χωρίς υπερβολή» περίπου 1.000 εργασίες προσπάθησαν να εξηγήσουν το μυστήριο της περίσσειας ποζιτρονίων, είπε ο Τιμ Λίντεν, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο. Η πλειοψηφία αυτών των εγγράφων ευνόησε την ερμηνεία της σκοτεινής ύλης. Το 2014, τα αποτελέσματα της Pamela ενισχύθηκαν από δεδομένα που προέρχονται από το AMS.

Το Άλφα Μαγνητικό Φασματόμετρο, που φαίνεται εδώ στο προσκήνιο του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού, θα μπορούσε τελικά να διευθετήσει τη συζήτηση για τη σκοτεινή ύλη εναντίον των πάλσαρ.

Ωστόσο, άλλοι επιστήμονες άρχισαν γρήγορα να ανοίγουν τρύπες και στις δύο αυτές εξηγήσεις που βασίζονται στη σκοτεινή ύλη. Στην περίπτωση του γαλαξιακού κέντρου, οι συγκρούσεις WIMP θα πρέπει να δημιουργήσουν μια ομαλή, θολή λάμψη ακτίνων γάμμα, όπως ένας προβολέας που φαίνεται μέσα από πυκνή ομίχλη. Ωστόσο, όταν οι αστροφυσικοί εξέτασαν τη λάμψη των ακτίνων γάμμα λεπτομερώς, βρήκαν ένα συνονθύλευμα πουαντιλιστικού φωτός. Φαινόταν ότι οι ακτίνες γάμμα προέρχονταν από πολλές μεμονωμένες σημειακές πηγές.

Και αν τα WIMP παρήγαγαν όλα αυτά τα ποζιτρόνια, θα έπρεπε επίσης να δημιουργούν πολλές ακτίνες γάμμα. Ωστόσο, όταν οι αστρονόμοι κοιτάζουν τους κοντινούς νάνους γαλαξίες - που πιστεύεται ότι φιλοξενούν μια τεράστια ποσότητα σκοτεινής ύλης - οι ακτίνες γάμμα δεν εμφανίζονται.

Η ένταση σε αυτά τα μοντέλα της σκοτεινής ύλης ανάγκασε τους αστροφυσικούς να εξετάσουν ορισμένες πιο αστροφυσικά πεζές επιλογές.

Η άνοδος των πάλσαρ

Παρόλο που οι περισσότεροι επιστήμονες είναι αρκετά βέβαιοι ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη (ακόμα κι αν δεν μπορούμε να την παρατηρήσουμε άμεσα), τα μοντέλα εξακολουθούν να θεωρούνται εξωτικά. Αυτό που είναι πολύ λιγότερο εξωτικό είναι οι αστροφυσικές πηγές ακτινοβολίας που μπορούμε πραγματικά να ανιχνεύσουμε με τα τηλεσκόπια μας. Καθώς λοιπόν τα δεδομένα άρχισαν να υπονομεύουν την υπόθεση της σκοτεινής ύλης, πολλοί ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του Hooper, άρχισαν να σκέφτονται μια πολύ πιο κοσμική εξήγηση:τα πάλσαρ.

Τα πάλσαρ είναι εξαιρετικά πυκνά, ταχέως περιστρεφόμενα αντικείμενα - αστέρια νετρονίων, οι νεκροί πυρήνες μεγάλων αστεριών που έχουν γίνει σουπερνόβα. Εκπέμπουν πίδακες ακτινοβολίας που περιστρέφονται γύρω από το πάλσαρ όπως η δέσμη ενός φάρου. Καθώς αυτή η δέσμη διασχίζει τη Γη, τα τηλεσκόπια μας καταγράφουν μια λάμψη ενέργειας.

Το 2015, δύο ομάδες — η μία με επικεφαλής τον Christoph Weniger, αστροφυσικό στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και η άλλη από την Tracy Slatyer, θεωρητική φυσική στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης — παρουσίασαν ξεχωριστά στοιχεία που έδωσαν στη θεωρία των πάλσαρ μια σημαντική ώθηση. Κάθε ομάδα χρησιμοποίησε ελαφρώς διαφορετικές μεθόδους, αλλά ουσιαστικά και οι δύο χώρισαν την περιοχή του ουρανού που καλύπτει το γαλαξιακό κέντρο σε πολλά pixel. Στη συνέχεια μέτρησαν τον αριθμό των διακυμάνσεων σε κάθε εικονοστοιχείο - παρακολουθώντας, ουσιαστικά, τις ακτίνες των φάρων να αιωρούνται στο πρόσωπο της Γης. Οι ερευνητές ανακάλυψαν μεγάλες διαφορές μεταξύ των εικονοστοιχείων - ζεστά και κρύα μπαλώματα στον ουρανό, τα οποία είναι πολύ πιο εύκολο να εξηγηθούν αν υποθέσει κανείς ότι το σήμα προέρχεται από διαφορετικές σημειακές πηγές. "Αυτό θα περιμένατε από τα πάλσαρ, γιατί θα μπορούσαν να υπάρχουν φωτεινότερα πάλσαρ ή περισσότερα πάλσαρ σε ορισμένες τοποθεσίες στον ουρανό σε σύγκριση με άλλες", είπε ο Linden.

Οι περισσότεροι αστροφυσικοί πιστεύουν τώρα ότι η περίεργη αφθονία ποζιτρονίων στον γαλαξία μπορεί επίσης να οφείλεται σε πάλσαρ. Τα πάλσαρ δημιουργούν τεράστια μαγνητικά πεδία που περιστρέφονται μαζί με το υπόλοιπο αντικείμενο. Ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο θα δημιουργήσει ένα ηλεκτρικό πεδίο και αυτό το ηλεκτρικό πεδίο τραβά τα ηλεκτρόνια από την επιφάνεια του πάλσαρ και τα επιταχύνει γρήγορα. Καθώς τα ηλεκτρόνια καμπυλώνονται μέσα από τα μαγνητικά πεδία, τα ηλεκτρόνια θα εκπέμπουν ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας. Μέρος αυτής της ακτινοβολίας είναι αρκετά ενεργητικός ώστε να μεταμορφώνεται αυθόρμητα σε ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων που στη συνέχεια διαφεύγουν από την ισχυρή μαγνητική σύλληψη του πάλσαρ.

Υπάρχουν πολλά βήματα σε αυτή τη διαδικασία και πολλή αβεβαιότητα. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές θέλουν να μάθουν πόση από την ενέργεια του πάλσαρ πηγαίνει στη δημιουργία αυτών των ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Είναι κλάσμα της ποσοστιαίας μονάδας; Ή ένα σημαντικό σύνολο, κάτι σαν το 20 ή ακόμα και το 40 τοις εκατό της ενέργειας του πάλσαρ; Εάν ισχύει το τελευταίο, τα πάλσαρ μπορεί να παράγουν αρκετά ποζιτρόνια για να εξηγήσουν την περίσσεια αντιύλης.

Οι ερευνητές έπρεπε να βρουν έναν τρόπο να μετρήσουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων που βγαίνουν από τα πάλσαρ. Δυστυχώς, αυτό είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο εγχείρημα. Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια, όντας φορτισμένα σωματίδια, θα κυκλώσουν και θα στρίψουν το δρόμο τους μέσα στον γαλαξία. Εάν εντοπίσετε ένα από τη Γη, είναι δύσκολο να γνωρίζετε από πού προήλθε.

Το Παρατηρητήριο ακτίνων γάμμα Cherenkov Water High-Altitude Water (HAWC) ανιχνεύει ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας και κοσμικές ακτίνες.

Οι ακτίνες γάμμα, από την άλλη πλευρά, προσκολλώνται σε μια ευθεία διαδρομή. Έχοντας αυτό κατά νου, ερευνητές που εργάζονται με το Παρατηρητήριο ακτίνων γάμμα Cherenkov (HAWC) στο Μεξικό έκαναν πρόσφατα λεπτομερείς μελέτες δύο σχετικά φωτεινών και σχετικά κοντινών πάλσαρ, του Geminga και του Monogem. Εξέτασαν όχι μόνο τις ακτίνες γάμμα που προέρχονται από το ίδιο το πάλσαρ, αλλά και τις υπερ-ενεργητικές ακτίνες γάμμα (1.000 φορές πιο ενεργητικές από την υπερβολική ροή από το γαλαξιακό κέντρο) που εμφανίστηκαν ως ένα σχετικά ευρύ φωτοστέφανο γύρω από τα πάλσαρ. Σε όλο αυτό το φωτοστέφανο, τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που προέρχονταν από το πάλσαρ συγκρούστηκαν με φωτόνια χαμηλής ενέργειας από το φως των αστεριών του περιβάλλοντος. Οι συγκρούσεις μετέφεραν τεράστιες ποσότητες ενέργειας στα αιχμηρά φωτόνια, σαν μια βαριοπούλα που σπάει μπάλες του γκολφ σε τροχιά.

Νωρίτερα φέτος, μια ομάδα που περιλάμβανε τους Hooper και Linden δημοσίευσε μια μελέτη που συνέκρινε τη φωτεινότητα των πάλσαρ με τη φωτεινότητα των φωτοστέφανων τους. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το 8 έως 27 τοις εκατό της ενέργειας του Geminga έπρεπε να μετατραπεί σε ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, είπε ο Linden. Για το Monogem, ήταν διπλάσιο. "Αυτό σημαίνει ότι τα πάλσαρ παράγουν έναν τεράστιο πληθυσμό ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων εντός του γαλαξία μας", είπε ο Linden.

Ο Σλάιερ είπε ότι η έρευνα είναι «η πρώτη φορά που είχαμε πραγματικά οποιαδήποτε λαβή για το φάσμα των ποζιτρονίων υψηλής ενέργειας που παράγονται από πάλσαρ, επομένως αυτό είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός».

Η εργασία βοηθά επίσης να εξηγηθεί η περίεργη περίσσεια των ακτίνων γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας που βρέθηκαν πριν από μια δεκαετία από τον ανιχνευτή Milagro στο Νέο Μεξικό. Η ακτινοβολία θα μπορούσε να προέρχεται από ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια που δημιουργούνται από πάλσαρ που επιταχύνουν το φως των αστεριών του περιβάλλοντος.

Η εκδίκηση της σκοτεινής ύλης

Ένα εμπόδιο παραμένει:η εύρεση αρκετών πάλσαρ για να εξηγήσουν όλη τη μυστηριώδη εκπομπή. «Θα πρέπει να δούμε περίπου 50 [φωτεινά] πάλσαρ στο γαλαξιακό κέντρο για να παράγουμε την περίσσεια», είπε ο Linden. «Αντίθετα, βρήκαμε μόνο μια χούφτα». Ομοίως, δεν γνωρίζουμε ακόμη αρκετά πάλσαρ στον υπόλοιπο γαλαξία για να εξηγήσουμε την περίσσεια ποζιτρονίων ή την αφθονία των ακτίνων γάμμα εξαιρετικά υψηλής ενέργειας που βρήκαν οι Milagro και HAWC.

Ωστόσο, το ζήτημα δεν ενοχλεί τόσο τους υποστηρικτές των πάλσαρ. Ελπίζουν ότι στο εγγύς μέλλον μια νέα γενιά ραδιοτηλεσκοπίων — όπως το MeerKAT στη Νότια Αφρική και ο προγραμματισμένος διάδοχός του, το Square Kilometer Array στη Νότια Αφρική και την Αυστραλία — θα βρει τις μέχρι στιγμής αόρατες ραδιοφωνικές πηγές στον γαλαξία μας.

Άρα έχει διευθετηθεί η συζήτηση για τη σκοτεινή ύλη εναντίον των πάλσαρ; Για τα ποζιτρόνια, φαίνεται να είναι έτσι. Ενώ πολλοί περισσότεροι ερευνητές αρχικά προτιμούσαν την ερμηνεία της σκοτεινής ύλης, οι περισσότεροι τώρα κλίνουν προς τα πάλσαρ.

Και στο γαλαξιακό κέντρο, τα πάλσαρ είναι «ο υποψήφιος ξυράφι του Occam», είπε ο Slayer. «Θα μπορούσατε να εξηγήσετε τα δεδομένα εξίσου καλά με ένα σενάριο εκμηδένισης της σκοτεινής ύλης, αλλά ξέραμε ότι υπήρχαν πάλσαρ και δεν ξέρουμε αν η σκοτεινή ύλη εξαφανίζεται, επομένως θα μπορούσατε να θεωρήσετε το σενάριο των πάλσαρ ως απλούστερο».

Σύμφωνα με τον Slatyer, η εξήγηση της σκοτεινής ύλης για το γαλαξιακό κέντρο θα μπορούσε ακόμη να επιστρέψει, και υπάρχει πράγματι ένας άλλος τρόπος για να δοκιμαστεί η υπόθεση της σκοτεινής ύλης. Όταν οι κοσμικές ακτίνες αλληλεπιδρούν με το διαστρικό υλικό και — θεωρητικά — κατά τη διάρκεια των εκμηδενισμών της σκοτεινής ύλης, παράγουν αντιπρωτόνια, το αντισωματιδιακό δίδυμο ενός πρωτονίου. Τα πάλσαρ δεν μπορούν να παράγουν αντιπρωτόνια. Εάν οι ερευνητές έβρισκαν περισσότερα αντιπρωτόνια από αυτά που θα μπορούσαν να αποδοθούν στις κοσμικές ακτίνες, η ανακάλυψη θα ενίσχυε το σενάριο της σκοτεινής ύλης. Αυτό ακριβώς έδειξαν τα προκαταρκτικά αποτελέσματα από το AMS:μια πιθανή περίσσεια αντιπρωτονίων που μπορεί να συνάδει με την εξόντωση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Οι επιστήμονες της AMS δεν βγάζουν συμπεράσματα σχετικά με την πηγή των αντιπρωτονίων, αλλά δύο δημοσιεύσεις κυκλοφόρησαν φέτος που υποστηρίζουν ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να βρίσκεται πίσω από την περίσσεια αντιπρωτονίων.

Για τον Linden, η επιβεβαίωση του πάλσαρ θα σήμαινε ακόμη περισσότερα. Για δεκαετίες, είπε, όταν σκεφτήκαμε την ενέργεια των κοσμικών ακτίνων στο σύμπαν μας, σκεφτόμασταν πάντα για σουπερνόβα, που παράγουν πρωτόνια που στη συνέχεια παράγουν όλες τις κοσμικές ακτίνες που ανιχνεύονται. «Είχαμε αυτή την πραγματικά όμορφη εικόνα όπου οι σουπερνόβ παράγουν τα πάντα», είπε ο Λίντεν. "Όλα συνδέονται μεταξύ τους και φαίνονται τέλεια."

Αλλά κατά τη δημιουργία αυτού του μοντέλου, η ενέργεια από τα πάλσαρ παραμελείται γενικά, πρόσθεσε - παρά το γεγονός ότι τα πάλσαρ είναι μεταξύ των αντικειμένων με την υψηλότερη ενέργεια στο διάστημα. "Επομένως, αν αυτή η νέα εικόνα αντέξει και τα πάλσαρ παράγουν αυτές τις υπερβολές, τότε πραγματικά αλλάζει η ερμηνεία μας για την πηγή της περισσότερης πολύ ενεργητικής ακτινοβολίας στους γαλαξίες, και ίσως σε όλο το σύμπαν", είπε ο Linden.

Μπορεί να πρόκειται για Pulsars:3, Dark Matter:0, τουλάχιστον προς το παρόν. «Αλλά θα έλεγα ψέματα αν έλεγα ότι δεν ήθελα αυτά τα σήματα να αποδειχθούν σκοτεινή ύλη», είπε ο Linden. "Αυτό θα ήταν τόσο, πολύ πιο συναρπαστικό."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com. Διαβάστε για μια ανάλυση του Απριλίου 2019 που έδωσε νέα πνοή στην ερμηνεία της σκοτεινής ύλης.

Το ενημερωτικό δελτίο Quanta

Λάβετε highlights από τις πιο σημαντικές ειδήσεις που παραδίδονται στα εισερχόμενά σας στο email σας

Επίσης στη Φυσική

Σχόλιο σε αυτό το άρθρο

Επόμενο άρθρο

Βλέποντας την όμορφη νοημοσύνη των μικροβίων