Темная материя снова ускользает: загадочное гамма-излучение из центров галактик порождают нейтронные звезды

Темная материя — самая весомая и загадочная «материальная» составляющая нашей Вселенной. Она составляет до 85% всей гравитирующей массы Вселенной, однако до сих пор не поддается попыткам обнаружить ее напрямую. Темная материя присутствовала в ранних эпохах Вселенной, и ее скопления способствовали образованию галактик, а сейчас она «скрепляет» их содержимое посредством гравитации — вот и практически и все, что о ней достоверно известно.

Один из кандидатов на роль темной материи — так называемые вимпы (WIMPs, weakly interacting massive particles), или слабовзаимодействующие массивные частицы. Они могли бы образоваться сразу после Большого Взрыва, когда энергия частиц превышала все, что можно достичь в коллайдерах, а после остывания образовать устойчивые сгущения размером с галактику. По одному из предположений, частицы темной материи могут являться майорановскими фермионами и аннигилировать друг с другом — тогда их можно было бы попытаться засечь по рассеянному гамма-излучению, исходящему из областей их высокой концентрации (то есть центров галактик).

Похожее излучение было обнаружено при анализе данных космического телескопа «Ферми», который провел обзор неба в гамма-лучах. Избыток излучения с энергией около двух гигаэлектронвольт исходит из нескольких центральных килопарсек Млечного Пути и концентрируется к его центру. Полностью объяснить этот избыток с помощью известных явлений ранее не удавалось, и ученые неоднократно пытались связать его с аннигиляцией темной материи.

Здесь астрономам приходилось нелегко. Мы не знаем массу частиц темной материи, и энергия излучения от их аннигиляции может быть какой угодно — в диапазоне от нескольких кило- до сотен гигаэлектронвольт (энергия видимого света составляет два-три электронвольта, а излучения в медицинском рентгеновском аппарате — десятки килоэлектронвольт). Идентификация их сигнала среди множества других процессов сродни поиску иголки в стоге сена, особенно в таком бурном и неизведанном регионе, как центр Галактики.

Команда ученых во главе с Ануджем Гаутамом (Anuj Gautam) из Австралийского национального университета изучила возможные механизмы формирования пульсаров, которые могут создавать избыток гамма-излучения. Оказалось, его может испускать ранее неизвестная популяция нейтронных звезд, существующая в центре Млечного Пути.

Нейтронные звезды — одни из самых экстремальных объектов в космосе — имеют в своем арсенале множество способов испускать высокоэнергетическое излучение, и в галактическом центре они водятся в изобилии. Обычно они образуются во вспышках сверхновых, и пульсары с коротким периодом вращения способны породить именно то излучение, которое открыли при анализе данных «Ферми». Тем не менее, предыдущие попытки привлечь их к этому встретились со сложностями.

Напрямую пульсары с такого расстояния видны редко, но массивные звезды часто существуют в кратных системах. Их популяция, достаточная для образования нужного количества пульсаров, породила бы и слишком много рентгеновских двойных — а их в центре Галактики было бы видно хорошо. Кроме того, при своем рождении во вспышке сверхновой пульсары часто получают мощную отдачу и улетают прочь в случайном направлении. Такие пульсары просто не смогли бы «столпиться» в центре галактики.

И все же, предполагаемый спектр пульсарного излучения слишком хорошо совпадает с наблюдаемым, чтобы отступать от этого объяснения. Ученые проверили, способны ли другие механизмы произвести достаточное количество пульсаров, и один из них действительно подошел – коллапс тяжелых белых карликов, входящих в состав двойных звезд.

Обычно поглощение белым карликом вещества звезды-компаньонки приводит к вспышкам новых. Когда белый карлик «переедает», водород на его поверхности взрывается и рассеивается в космос, после чего аккреция возобновляется. Но часть продуктов реакции остается на поверхности белого карлика, поэтому этот процесс может повторяться не вечно, а только до достижения предела Чандрасекара. Приближение к нему сопровождается столь сильным сжатием и разогревом вещества белого карлика, что запускает термоядерную реакцию во всей его массе.

Дальнейшее зависит от состава белого карлика: чем более легкие элементы в него входят, тем больше энергии выделяется при взрыве. Углерод-кислородные белые карлики взрываются целиком, становясь сверхновыми первого типа, а кислород-неоновые, энергии взрыва которых недостаточно для полного разлета их вещества, коллапсируют в пульсары.

Оказалось, в центре Млечного Пути может накопиться достаточно таких пульсаров, чтобы устранить расхождение предсказанного гамма-излучения с наблюдаемым, а заодно и объяснить диффузное микроволновое излучение, исходящее из центра Галактики.

Таким образом, темная материя снова ускользнула, и все наши знания о ней по-прежнему ограничены косвенными признаками. Поиски иголки в стоге сена продолжаются, и приводят к появлению все новых и новых знаний о самом стоге.