Когда звёзды молчат, говорит тьма: загадочное излучение из центра Млечного Пути поставило астрономов в тупик

В самом сердце Млечного Пути, за облаками пыли и звёзд, скрывается источник мощного гамма-излучения, о происхождении которого астрономы спорят уже полтора десятилетия. Так называемый избыток GeV в галактическом центре (GCE) впервые был зафиксирован в 2009 году и до сих пор остаётся одной из самых интригующих загадок космоса. Новое исследование учёных из Университета Джона Хопкинса, опубликованное в журнале Physical Review Letters, может наконец пролить свет на этот феномен.

Что обнаружили учёные

Астрономы давно заметили, что из центра нашей галактики исходит поток гамма-лучей — света с чрезвычайно высокой энергией. Его интенсивность превышает все расчёты. Чтобы объяснить это, физики предложили две гипотезы. Первая — столкновения частиц тёмной материи, невидимого вещества, которое удерживает галактики от распада. Вторая — активность нейтронных звёзд, сверхплотных остатков погибших солнцеподобных звёзд.

"Темная материя доминирует во Вселенной и удерживает галактики вместе. Это имеет чрезвычайно важные последствия, и мы всё время ищем способы её обнаружить", — сказал профессор Джозеф Силк.

Если избыток гамма-лучей действительно вызван аннигиляцией частиц тёмной материи, это станет первым прямым подтверждением её существования — событием, сравнимым по значению с открытием Хиггсовского бозона.

Как суперкомпьютеры изменили картину

Чтобы приблизиться к разгадке, исследователи создали серию суперкомпьютерных симуляций, моделирующих распределение тёмной материи в нашей галактике. В отличие от предыдущих работ, эти модели учитывали всю историю формирования Млечного Пути: как он поглощал более мелкие галактики, как концентрировалась масса в его центре и как изменялась плотность частиц.

Результаты оказались поразительными: столкновения частиц тёмной материи в центре галактики создают гамма-излучение, почти полностью совпадающее с наблюдениями телескопа Fermi. Излучение от нейтронных звёзд оказалось схожим, но чтобы воспроизвести нужную интенсивность, их должно быть гораздо больше, чем реально наблюдается.

Сравнение

Советы шаг за шагом

1. Шаг 1. Моделирование галактики. Учёные создали компьютерную модель Млечного Пути с учётом его эволюции и поглощения карликовых галактик.

2. Шаг 2. Распределение массы. Введены данные о плотности тёмной материи и звёздных скоплений.

3. Шаг 3. Симуляция столкновений. Программа рассчитала вероятность аннигиляции частиц и спектр возникающего гамма-излучения.

4. Шаг 4. Сопоставление с наблюдениями. Полученные результаты сравнили с картами, созданными телескопом Fermi.

5. Шаг 5. Проверка гипотез. Модель тёмной материи дала совпадение с наблюдениями, тогда как сценарий с нейтронными звёздами не объяснил интенсивность сигнала.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: ранние модели игнорировали эволюцию галактики и её столкновения с другими системами.
  Последствие: полученные данные не совпадали с наблюдениями гамма-излучения.
  Альтернатива: учёт истории формирования Млечного Пути позволил создать реалистичную модель распределения тёмной материи.

• Ошибка: переоценка вклада нейтронных звёзд.
  Последствие: модели требовали в десятки раз больше пульсаров, чем реально существует.
  Альтернатива: использование данных о плотности звёздных остатков показало, что этот сценарий не может объяснить весь гамма-сигнал.

А что если…

А что если источник излучения — вовсе не тёмная материя и не нейтронные звёзды? Возможно, мы наблюдаем неизвестный тип взаимодействия частиц или проявление квантовых эффектов в экстремальных гравитационных полях центра галактики. Учитывая, что Млечный Путь содержит сверхмассивную чёрную дыру, нельзя исключать и участие её магнитных полей в генерации высокоэнергетических фотонов.

Плюсы и минусы

FAQ

Когда появятся новые данные?
В 2026 году начнёт работу Черенковская решётка телескопов (CTA) - система, которая сможет различать гамма-сигналы с беспрецедентной точностью.

Почему центр галактики?
Это регион с максимальной концентрацией тёмной материи и звёздных остатков, поэтому именно там происходят наиболее интенсивные столкновения частиц.

Можно ли "увидеть” тёмную материю напрямую?
Нет. Она не излучает и не отражает свет. Учёные судят о её существовании по гравитационным эффектам и косвенным сигналам — таким, как гамма-избыток GCE.

Мифы и правда

• Миф: тёмная материя — это просто невидимая обычная материя.
  Правда: это совершенно иная форма вещества, не взаимодействующая с электромагнитными силами.

• Миф: гамма-лучи в центре галактики — случайное явление.
  Правда: распределение излучения совпадает с формой гало тёмной материи.

• Миф: суперкомпьютерные симуляции не могут подтвердить физические процессы.
  Правда: современные модели воспроизводят наблюдения с высокой точностью и позволяют тестировать гипотезы до получения данных с телескопов.

Исторический контекст

Идея тёмной материи возникла ещё в 1930-х годах, когда астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики в скоплениях движутся слишком быстро, чтобы удерживаться видимой массой. Позже, в 1970-х, Вера Рубин подтвердила это наблюдение, изучая вращение спиральных галактик. С тех пор физики ищут прямые доказательства существования этого загадочного вещества. Избыток гамма-лучей в центре Млечного Пути стал самым убедительным кандидатом на такую подсказку.

Три интересных факта

• Современные симуляции моделируют более 10 миллиардов частиц тёмной материи, каждая из которых взаимодействует по своим физическим законам.

• Телескоп Fermi фиксирует гамма-кванты с энергией до 300 миллиардов электрон-вольт — это в миллиарды раз мощнее видимого света.

• Если теория подтвердится, Земля буквально "плавает” в облаке тёмной материи, но мы не ощущаем его, потому что частицы взаимодействуют исключительно через гравитацию.