Pentru a descoperi materia întunecată, trebuie să observați centrul galaxiei • Maria Kirsanova • Știința științifică despre "Elemente" • Astronomia

Pentru a detecta materia întunecată, trebuie observat centrul galaxiei.

Fig. 1. Materia întunecată din jurul galaxiilor este probabil o colecție de ciorchini de diferite mărimi și mase (dimensiunile și masele minime care sunt luate astăzi în calcule – de la 120 parseci și 1712 mase ale Soarelui, respectiv maxim – sute de mii de ori). În centrul imaginii este cel mai masiv cheag care înconjoară direct galaxia. Clătirile arată luminos, dar acestea sunt doar culori artificiale folosite pentru a vizualiza rezultatele; în realitate, nu a fost găsită nici o radiație din materia întunecată misterioasă. Cifra a fost făcută în funcție de rezultatele calculelor efectuate pe un supercomputer în cadrul proiectului Vărsător. Imagine de la www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Grupul combinat de fizicieni europeni (ca parte a proiectului Vărsător, Proiectul Vărsător) a obținut estimări ale posibilei străluciri a radiației gamma care rezultă din anihilarea particulelor de materie întunecată în galaxia noastră. Oamenii de știință sugerează că radiația împrăștiată de la haloul întunecat al Galaxiei va fi mult mai strălucitoare decât în ​​multe ciorchine separate de materie întunecată. Rezultatele acestei lucrări sunt publicate în ultimul număr al revistei. natură.

Bineînțeles, materia întunecată nu strălucește în spectrul vizibil sau în orice altă arie spectrală. În orice caz, acest lucru nu a fost încă descoperit.Natura materiei întunecate – forma în care este conținută cea mai mare parte a materiei din Univers – rămâne un mister pentru fizicieni de câteva decenii. Se crede că aceasta poate consta din particule de natură necunoscută – de la WIMP, care nu există interacțiune electromagnetică: nu emit fotoni și nu putem vedea aceste particule direct. Conceptul de particule WIMP sugerează că acestea pot fi detectate indirect – în funcție de observațiile radiației gamma, care apar în timpul anihilării particulelor și antiparticulelor. Deoarece nimeni nu a observat particule de substanță întunecată și antiparticule, nu se știe în mod sigur dacă pot anihila, deci se fac observații pentru a testa teoriile și ipotezele.

Oamenii de știință europeni, sub conducerea lui Volker Springel, au folosit un model informatic de materie întunecată pentru a prezenta ce date despre distribuția radiației gamma în spațiu vor primi telescoape spațiale, în special telescopul. Fermi, Telescopul Spațial Gamma Fermi (așa cum se numește recent telescopul GLAST, Telescopul Spațial Gamma Mare). Modelul de computer pe care l-au folosit a fost creat de asociația oamenilor de știință "Vărsător" de la Institutul de Astrofizică.Max Planck din Garching (Germania) și Institutul de Cosmologie Computațională din Durham (Regatul Unit). Această asociație a absorbit participanții la proiectele "Virgo" și "Proiectul Mileniului", care au efectuat, de asemenea, simulări pe calculator ale galaxiilor și grupurile lor pentru cercetarea cosmologică. Rezultatele uneia dintre variantele calculate ale acestui model sunt prezentate în fig. 1.

Grupul Springel a folosit structura ierarhică a cheagurilor – dimensiunea medie și concentrația lor obținute în model pentru a efectua evaluări. Au luat o anumită poziție abstractă în spațiu asociată cu orice grup în cadrul domeniului computational al modelului și au calculat luminozitatea din gama gamă din această grupă. Oamenii de știință au fost interesați de acei fotoni, care se presupune că s-au născut ca urmare a anihilării particulelor și antiparticulelor de materie întunecată. Teoretic, această radiație gamma ar trebui să conțină patru componente. Primul este lumina difuză din haloul întunecat care înconjoară galaxia (centrul figura 1, așa-numitul "halo principal"). Al doilea este lumina difuză din ciorchini de dimensiuni mai mici, sub-halo. Al treilea este lumina din grupuri chiar mai mici, care sunt cuprinse în sub-halo.În sfârșit, a patra componentă este lumina unor ciorchine mici care sunt atât de mici, încât este imposibil să se ia în considerare fiecare dintre ele separat în model, dar puteți lua în considerare numai contribuția lor totală la radiația gamma din materia întunecată.

Fig. 2. Distribuția luminozității radiației gamma produsă prin anihilarea particulelor de materie întunecată pe cer. Centrul imaginii corespunde direcției către centrul galaxiei (situat în constelația Sagetator). Imaginea este construită ca și cum telescoapele terestre sau orbitale privesc cerul și văd radiația gamma asociată cu anihilarea particulelor WIMP. Imagine de la www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

În fig. 2 arată că luminozitatea maximă a radiației gamma va fi detectată în direcția centrului galaxiei, în timp ce în restul cerului vor fi găsite numai vârfuri individuale de luminozitate gamma. Contribuțiile fiecăreia dintre cele patru componente ale modelului sunt prezentate mai jos. Radiatia halo-ului principal, cea mai mare in masa si dimensiune, va fi distribuita pe intreg cerul, iar luminozitatea sa va scade treptat cu distanta de centrul galactic (figura 3a). Radiații din ciorchini mai mici (a doua și a treia componentă), care sunt, de obicei, mult mai departe decât halo și, prin urmare, destuldistribuit uniform pe cer, prezentat în Fig. 3b. Acesta va arata ca un fundal pestriță fără un centru clar marcat. Radiația din componenta a patra – cele mai mici fascicule – este prezentată în fig. 3c. Este chiar mai puțin luminos și va oferi un fundal uniform.

Fig. 3. Cele patru componente ale radiației gamma care decurg din anihilarea particulelor de materie întunecată: și – radiația aorului principal, b – radiații provenite din ciorchini mai mici de materie întunecată (fundal pestriț fără un centru dedicat); în – radiații din cele mai mici fascicule (fundal uniform). Luminozitatea tuturor componentelor este afișată în aceleași unități (relative). Pentru a construi aceste imagini, distanța efectivă dintre Soare și centrul Galaxiei a fost folosită – 8 mii parseci. Imagine de la www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Rezultatele grupului Springel fac, de asemenea, posibile evaluări cantitative înainte de a face observații. În primul rând, luminozitatea tipică a radiației sub-halo față de fundal (și fundalul constă din toate cele patru componente) nu va depăși 10% din raportul luminozității halo-ului principal cu fundalul. Acest lucru înseamnă că va fi mai dificil să se detecteze sub-halouri și va dura mai mult timp pentru a obține imagini de înaltă calitate. Va fi și mai dificil să găsiți fasii mai mici.Se presupune că masele tipice sub-halo vor fi mai mici decât masele de sateliți galaxici cunoscuți din Calea Lactee (de exemplu, norii Magellanic). La o distanță de aproximativ 10 secunde unghiulare de la centrele de sub-halouri tipice, luminozitatea lor va cădea de două ori, iar telescopul Fermi nu le va putea detecta. Fluxul de radiații gamma din sub-halo și cheaguri mai mici va fi de la zece mii la un milion de ori mai mic decât fluxul de la aura principală. Și toate acestea, în ciuda faptului că cel mai apropiat sub-halo poate fi localizat la o distanță de numai câteva mii de parseci din centrul Galaxiei.

Pentru a se asigura de fiabilitatea rezultatelor lor, Springel et al a estimat luminozitatea radiației gamma pe baza mai multor modele de calculatoare ale materiei întunecate din jurul Galaxiei. Aceste modele conțin un număr diferit de puncte simbolice cu o masă totală constantă de materie întunecată; în cele care conțin mai puține puncte, este imposibil să descriem comportamentul materiei întunecate cu detalii precum cele care conțin mai multe puncte. Pe de altă parte, cu cât este mai detaliat modelul, cu atât mai mult va trebui să aștepți ca supercomputerul să facă față calculelor (de ordinul mai multor săptămâni).Datorită faptului că rezultate confirmate și complementare au fost obținute în modele cu un număr diferit de puncte, autorii sunt convinși că telescoapele gama vor vedea exact ceea ce este descris în articol.

Desigur, nimeni încă nu știe exact cum ar trebui să arate radiația gamma asociată cu materia întunecată. Masele particulelor WIMP, potrivit opiniei general acceptate în rândul oamenilor de știință, ar trebui să corespundă energiilor de ordinul a sute de GeV. De aceea, observațiile din această gamă de energie înaltă a spectrului sunt de cea mai mare prioritate pentru cei care studiază misterul materiei întunecate. După obținerea datelor de înaltă calitate, oamenii de știință vor "scădea" din spectrul obținut contribuția surselor de radiații gamma cunoscute deja, iar restul vor fi analizate pentru asocierea cu materia întunecată. Dacă radiația suplimentară este distribuită pe cer în felul în care arată Springer și colaboratorii săi, acesta va fi un argument în favoarea faptului că radiația este asociată cu anihilarea particulelor WIMP.

La capătul opus al spectrului electromagnetic, în banda radio, înO vecinătate cu un diametru de 20 de grade în jurul centrului galaxiei a fost deja descoperită un exces neobișnuit de radiație cu microunde la o frecvență de 22 GHz, obținut în timpul experimentului WMAP (experimentul privind studiul radiației cosmice cu microscopie, Analizotropia proiectorului Wilkinson) – "WMAP Haze" . Spectrul său arată ca radiația sincrotronă a electronilor și pozitronilor cu energie înaltă, dar are frecvențe prea mari (sau, echivalent, energii prea mari) pentru ca originea sa să fie explicată pe baza fenomenelor cunoscute astrofizicilor. Accelerarea undelor de șoc din supernove, asocierea cu explozii de raze gama și alte câteva opțiuni nu sunt adecvate.

Detectarea opacității WMAP a fost aceeași cale care va fi principala în căutarea radiației gamma asociată cu materia întunecată. Suma luminanței radiației sincrotronului în domeniul cuptorului cu microunde, radiația particulelor încărcate în spectrul continuu (radiația liberă care nu este asociată cu tranzițiile de electroni între nivelele atomice), emisia de praf și, în final, fundalul cosmic micround ar trebui să producă o imagine obținută prin WMAP, imaginați o componentă suplimentară, a cărei explicație nu este încă disponibilă.Procedura de "scădere" din gama gamma va fi aceeași: toate sursele cunoscute de radiații în gama gamma (de exemplu, rămășițele exploziilor supernovelor, radiațiile de pe un disc de acumulare în jurul unei gauri negre supermassive) trebuie să producă, în mod eronat, o imagine care va fi obținută cu un telescop pentru ei. Fermi, dacă contribuția asociată cu materia întunecată, nu.

Și în experimentul PAMELA, înregistrarea particulelor de raze cosmice și, în particular, studierea fluxului de antiparticule (poziții, antiprotoni) într-o gamă largă de energie, a fost găsit un raport neașteptat de mare al numărului de pozitroni la electroni la energii înalte. Acest exces de antiparticule poate fi, de asemenea, asociat cu contribuția de anihilare a particulelor de materie întunecată. Și în această problemă le-a telescop. Fermi poate aduce, de asemenea, o anumită claritate, deoarece anihilarea particulelor de materie întunecată ar trebui să dea nu numai positroni, ci și quanta gamma.

Deși, deși materia întunecată nu a fost încă descoperită, comunitatea de fizicieni și astronomi a format opinia că epoca descoperirii naturii materiei întunecate începe exact în zilele noastre. Această viziune este asociată cu punerea în funcțiune a Coordonatorului Large Hadron Collider și lansarea următorului observator spațial NASA – acestea. Fermi.Sensibilitatea telescopului (de exemplu, capacitatea de a ridica un semnal slab) și rezoluția unghiulară (capacitatea de a distinge obiectele îndepărtate și mici), în intervalul de la 20 MeV până la 300 GeV ar trebui să permită astronomilor să detecteze radiații gamma care însoțește anihilarea de particule de materie întunecată, și să facă o mare descoperire științifică.

Fig. 4. Imaginea cerului din gama gamma, obținută pe baza datelor observaționale din telescop. Fermi. Dacă se detectează contribuția indirectă a materiei întunecate la această radiație, atunci, conform rezultatelor grupului Springel, această contribuție ar trebui să arate așa cum se arată în Fig. 2. Imaginea este luată din arhiva telescopului. Fermi. În centrul imaginii – direcția centrului galaxiei. Imaginile cerului în raze gamma luate de alte telescoape și în alte intervale de frecvență pot fi văzute aici.

Un studiu preliminar al cerului "Fermi" a fost deja realizat, rezultatele acestuia fiind arătate în Fig. 4. Trebuie să spun că acest satelit a durat doar 4 zile, deși la telescopul anterior EGRET gamma, o astfel de recenzie a necesitat un an întreg de observații. Deci, oamenii de știință pun mari speranțe pe Fermi.

Sursa: V. Springel, S. D. M. White, C. S. Frenk, J. F. Navarro, A. Jenkins, M. Vogelsberger, J. Wang, A.Ludlow, A. Helmi. Perspective pentru detectarea materiei întunecate supersimetrice în halo galactic // natură. V. 456, p. 73-76 (6 noiembrie 2008).

Maria Kirsanova


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: