Có rất nhiều trò chơi bí ẩn ở trung tâm dải Ngân hà. Lỗ đen siêu lớn cư trú ở đó có tù trưởng trong số họ. Nhưng có một câu đố hấp dẫn khác ở đó: một khu vực hình cầu bất ngờ phát ra tia gamma cực mạnh.
Một nghiên cứu mới cho thấy vật chất tối có thể đứng sau những phát thải đó.
Có rất nhiều nguồn tia gamma trong vũ trụ, và hầu hết chúng đều được hiểu rõ. Pulsar, nam châm và quasar đều tạo ra tia gamma. Nhưng họ có thể giải thích cho các tia gamma đến từ trung tâm thiên hà của chúng ta không?
Tia gamma rất mạnh. Chúng là một dạng bức xạ điện từ xuyên thấu được tạo ra bởi các hiện tượng năng lượng nhất trong Vũ trụ. Chúng có bước sóng ngắn nhất trong mọi loại bức xạ điện từ và năng lượng photon cao nhất.
Sự dư thừa của các tia gamma ở trung tâm của Dải Ngân hà được các nhà vật lý biết đến và họ gọi đó là sự dư thừa của trung tâm thiên hà (GCE.) Chúng ta biết rất nhiều về Dải Ngân hà và kiến thức đó đã thu hẹp những lời giải thích cho GCE xuống hai khả năng hàng đầu: hoặc là một quần thể các sao, là những ngôi sao neutron quay nhanh, hoặc vật chất tối. Các nhà vật lý nghĩ rằng nếu nó vật chất tối, nó tồn tại trong một đám mây dày đặc ở trung tâm thiên hà, va chạm với chính nó và tự hủy để tạo ra tia gamma.
Vào năm 2015, một nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguồn cho GCE trên thực tế là các pulsar, và vật chất tối không liên quan đến. Nghiên cứu đó đến từ một nhóm các nhà nghiên cứu từ Princeton và MIT, bao gồm phó giáo sư vật lý Tracy Slatyer. Họ đã sử dụng các quan sát của trung tâm thiên hà được chụp bằng Kính viễn vọng Không gian tia Gamma Fermi cùng với một mô hình mô tả tất cả các tương tác trong Dải Ngân hà có thể tạo ra tia gamma. Họ kết luận rằng pulsar chịu trách nhiệm.
Nhưng một nghiên cứu mới, cũng liên quan đến Slatyer từ MIT, dường như đã đảo ngược những kết quả đó, và chỉ ra vật chất tối là nguồn gốc của tất cả các tia gamma đó.
Nghiên cứu mới này có tựa đề Hồi sinh của giả thuyết Dark Matter cho Trung tâm Thiên hà Gamma-Ray Excess và nó được xuất bản trong Tạp chí Vật lý. Các tác giả là Tracy Slatyer thuộc Trung tâm Vật lý lý thuyết tại MIT và Rebecca Leane thuộc Trường Khoa học Tự nhiên, Viện Nghiên cứu Cao cấp. Nghiên cứu của họ nói rằng có một vấn đề với vấn đề trước đó và kết quả của nó là không đáng tin cậy. Một đóng góp vật chất tối cho GCE có thể đã không được chú ý.
Khó khăn trong việc thu hẹp GCE xuống các pulsar hoặc vật chất tối đi xuống cách các photon được phát ra, và về khả năng công nghệ của chúng tôi để phát hiện ra chúng. Tia gamma từ vật chất tối sẽ khuếch tán, trong khi những tia từ pulsar sẽ là nguồn điểm tập trung hơn. Trong năm 2015, tất cả các tia gamma xuất hiện khuếch tán, nhưng điều đó có thể là do các nguồn điểm xuất hiện khuếch tán đến các kính thiên văn của chúng ta, có độ phân giải không gian hạn chế. Năm 2015, các nhà nghiên cứu kết luận rằng pulsar chịu trách nhiệm.
Dải Ngân hà ít nhiều bằng phẳng, với một chỗ phình ra ở trung tâm. Các tia gamma chiếm một vùng hình cầu ở trung tâm bán kính khoảng 5.000 năm ánh sáng. Phương pháp mà Slatyer và các đồng nghiệp của cô đã phát triển vào năm 2015 đã cố gắng giải quyết nếu khu vực hình cầu này là Lướt mịn hay nếu đó là Hạt sần sùi. Lý do của họ là nếu các pulsar là nguồn gốc của tia gamma, thì những tia gamma đó sẽ làm cho vùng hình cầu đó trông nổi hạt. Sẽ có những khoảng trống tối giữa các tia gamma nơi không có nguồn xung.
Nhưng nếu các tia gamma đến từ vật chất tối, thì vùng hình cầu sẽ trơn tru. Mỗi dòng tầm nhìn về phía trung tâm thiên hà có thể có các hạt vật chất tối, vì vậy tôi không nên nhìn thấy bất kỳ khoảng trống hoặc điểm lạnh nào trong tín hiệu, theo ông Slatyer giải thích.
Họ đã phát triển một mô hình chiếm toàn bộ vật chất và khí trong Dải Ngân hà và tất cả các tương tác hạt có thể tạo ra tia gamma. Sau đó, họ xem xét các mô hình cho khu vực hình cầu GCE, có dạng hạt hoặc mịn, và một phương pháp thống kê để phân biệt chúng. Sau đó, họ lấy mô hình đó và đưa các quan sát Kính viễn vọng Không gian Tia Gamma thực tế vào nó, để xem liệu các quan sát đó có phù hợp với cấu hình hạt hay không.
Nếu các quan sát phù hợp với cấu hình hạt, thì các pulsar có thể giải thích các tia gamma. Nếu chúng phù hợp với một hồ sơ trơn tru, thì vật chất tối có thể giải thích chúng. Các hồ sơ sần sùi là một phù hợp áp đảo.
Chúng tôi đã thấy nó nặng 100%, và vì vậy chúng tôi đã nói, "ồ, vật chất tối có thể làm được điều đó, vì vậy nó phải là thứ gì đó khác, sau khi chết, Slít Slatyer nhớ lại. Tôi hy vọng rằng đây sẽ chỉ là nghiên cứu đầu tiên trong khu vực trung tâm thiên hà sử dụng các kỹ thuật tương tự. Nhưng vào năm 2018, các kiểm tra chéo chính của phương pháp vẫn là những kiểm tra mà chúng tôi đã thực hiện vào năm 2015, điều này khiến tôi khá lo lắng rằng chúng tôi có thể đã bỏ lỡ điều gì đó.
Cuối cùng, Slatyer và Leane quyết định thử nghiệm mô hình. Slatyer lo ngại rằng nó có thể không đủ mạnh. Họ quyết định tạo ra một bản đồ bầu trời giả mạo trên bầu trời, bao gồm tín hiệu vật chất tối và các xung mà người sói liên kết với GCE. Họ đã đưa nó vào mô hình và mặc dù dữ liệu của họ chứa tín hiệu vật chất tối giả, mô hình đã kết luận rằng nó bị nhiễu hạt và do đó chiếm ưu thế xung. Theo Slatyer, đó là bằng chứng cho thấy mô hình của họ không thể đánh lừa được, và vẫn còn chỗ cho vật chất tối đóng vai trò trong GCE.
Nếu nó là vật chất tối thực sự, đây sẽ là bằng chứng đầu tiên về vật chất tối tương tác với vật chất hữu hình thông qua các lực khác ngoài trọng lực.
Rebecca Leane, Đồng tác giả, Trường Khoa học tự nhiên, Viện nghiên cứu nâng cao.
Sau đó, một đồng nghiệp đề nghị các nhà nghiên cứu thêm tín hiệu vật chất tối giả kết hợp với các quan sát thực tế của Fermi để kiểm tra mô hình của họ, thay vì bằng bản đồ nền giả.
Họ đã làm như vậy, và mô hình thống kê của họ đã thất bại trong bài kiểm tra. Mặc dù có tín hiệu vật chất tối mịn, mô hình đã trả về kết quả thống trị xung hạt. Họ đã điều chỉnh tín hiệu vật chất tối của mình tới bốn lần kích thước của GCE thực tế và mô hình của họ vẫn không phát hiện ra.
Vào lúc đó, tôi cảm thấy rất phấn khích, vì tôi biết hàm ý của nó rất lớn - điều đó có nghĩa là lời giải thích về vật chất tối đã trở lại trên bàn, ông Leane nói.
Nếu những kết quả mới nhất này là chính xác, thì đó là một vấn đề lớn.
Nếu nó là vật chất tối thực sự, đây sẽ là bằng chứng đầu tiên về vật chất tối tương tác với vật chất có thể nhìn thấy thông qua các lực khác ngoài trọng lực, theo Leane nói. Bản chất của vật chất tối là một trong những câu hỏi mở lớn nhất trong vật lý tại thời điểm này. Xác định tín hiệu này là vật chất tối có thể cho phép chúng ta cuối cùng phơi bày bản sắc cơ bản của vật chất tối. Bất kể sự dư thừa hóa ra là gì, chúng ta sẽ học được điều gì đó mới mẻ về vũ trụ.
Một lần nữa, nó rất thú vị khi chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi đã loại bỏ khả năng đây là vật chất tối. Tuy nhiên, bây giờ có một lỗ hổng, một lỗi hệ thống trong yêu cầu chúng tôi đã đưa ra. Nó mở lại cánh cửa cho tín hiệu phát ra từ vật chất tối.
Kết quả mới này được công bố trên tạp chí Tạp chí Vật lý Đánh giá số 11 tháng 12.
Hơn:
- Thông cáo báo chí của MIT: Có vật chất tối ở trung tâm dải Ngân hà không?
- Tài liệu nghiên cứu: Sự hồi sinh của giả thuyết về vật chất tối cho Trung tâm thiên hà Gamma-Ray dư thừa
- Wikipedia: Tương tác yếu các hạt lớn (WIMP)
