Terdapat banyak kejadian misteri di pusat Bima Sakti. Lubang hitam supermasif yang berada di sana adalah ketua di antara mereka. Tetapi ada satu lagi teka-teki menarik di sana: kawasan sfera yang tidak dijangka dengan pelepasan sinar gamma yang kuat.
Satu kajian baru menunjukkan bahawa bahan gelap mungkin berada di belakang pelepasan tersebut.
Terdapat banyak sumber sinar gamma di alam semesta, dan kebanyakannya difahami dengan baik. Pulsar, magnetar, dan kuarsar semuanya menghasilkan sinar gamma. Tetapi dapatkah mereka menjelaskan sinar gamma yang berasal dari pusat galaksi kita?
Sinar gamma sangat kuat. Mereka adalah bentuk radiasi elektromagnetik yang menembusi yang dihasilkan oleh fenomena paling bertenaga di Alam Semesta. Mereka mempunyai panjang gelombang terpendek dari sebarang jenis sinaran elektromagnetik, dan tenaga foton tertinggi.
Kelebihan sinar gamma di jantung Bima Sakti diketahui oleh ahli fizik, dan mereka menyebutnya kelebihan pusat galaksi (GCE.) dua kemungkinan utama: sama ada populasi pulsar, yang berputar bintang neutron dengan cepat, atau bahan gelap. Ahli fizik berpendapat bahawa jika itu adalah benda gelap, ia wujud di awan tebal di tengah galaksi, bertembung dengan dirinya sendiri dan memusnahkan dirinya sendiri untuk menghasilkan sinar gamma.
Pada tahun 2015, satu kajian menunjukkan bahawa sumber GCE sebenarnya adalah pulsar, dan bahan gelap tidak terlibat. Kajian itu datang dari pasukan penyelidik dari Princeton dan MIT, termasuk profesor fizik bersekutu, Tracy Slatyer. Mereka menggunakan pemerhatian pusat galaksi yang diambil dengan Teleskop Angkasa sinar Fermi Gamma bersama dengan model yang menggambarkan semua interaksi di Bima Sakti yang dapat menghasilkan sinar gamma. Mereka membuat kesimpulan bahawa pulsar bertanggungjawab.
Tetapi kajian baru, yang juga melibatkan Slatyer dari MIT, nampaknya telah membalikkan hasil tersebut, dan menunjukkan materi gelap sebagai sumber semua sinar gamma tersebut.
Kajian baru ini bertajuk "Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess" dan diterbitkan dalam Physical Review Letters. Penulisnya ialah Tracy Slatyer dari Pusat Fizik Teoretikal di MIT, dan Rebecca Leane dari Pusat Pengajian Ilmu Alam, Institut Kajian Lanjutan. Kajian mereka mengatakan bahawa ada masalah dengan yang sebelumnya, dan hasilnya tidak boleh dipercayai. Sumbangan perkara gelap kepada GCE mungkin tidak disedari.
Kesukaran untuk menyempitkan GCE ke salah satu pulsar atau bahan gelap disebabkan oleh cara foton dipancarkan, dan pada kemampuan teknologi kami untuk mengesannya. Sinar gamma dari bahan gelap akan meresap, sementara sinar pulsa adalah sumber titik yang lebih pekat. Pada tahun 2015, semua sinar gamma kelihatan menyebar, tetapi itu mungkin kerana sumber titik kelihatan menyebar ke teleskop kami, yang memiliki resolusi spasial yang terbatas. Pada tahun 2015, para penyelidik membuat kesimpulan bahawa pulsar bertanggungjawab.
Bima Sakti lebih kurang rata, dengan tonjolan di bahagian tengah. Sinar gamma menempati kawasan sfera di tengah sekitar 5000 tahun cahaya dalam radius. Kaedah yang dikembangkan oleh Slatyer dan rakan-rakannya pada tahun 2015 cuba diselesaikan jika wilayah sfera ini "halus" atau jika "kasar". Alasan mereka adalah bahawa jika pulsar adalah sumber sinar gamma, maka sinar gamma tersebut harus menjadikan kawasan sfera itu kelihatan kasar. Akan ada jurang gelap antara sinar gamma di mana tidak ada sumber pulsar.
Tetapi jika sinar gamma berasal dari bahan gelap, maka kawasan sfera akan menjadi halus. "Setiap garis penglihatan ke arah pusat galaksi mungkin mempunyai zarah zat gelap, jadi saya tidak seharusnya melihat jurang atau titik sejuk pada isyarat," jelas Slatyer.
Mereka mengembangkan model yang menjelaskan semua bahan dan gas di Bima Sakti, dan semua interaksi partikel yang dapat menghasilkan sinar gamma. Kemudian mereka mempertimbangkan model untuk kawasan sfera GCE yang kasar atau halus, dan kaedah statistik untuk membezakannya. Kemudian mereka mengambil model itu dan memasukkan pemerhatian Teleskop Ruang Angkasa Fermi Gamma-ray yang sebenarnya, untuk melihat sama ada pemerhatian sesuai dengan profil yang kasar atau halus.
Sekiranya pemerhatian sesuai dengan profil kasar, maka pulsar dapat menjelaskan sinar gamma. Sekiranya ia sesuai dengan profil yang halus, maka masalah gelap dapat menjelaskannya. Profil kasar sangat sesuai.
"Kami melihatnya 100 peratus kasar, dan kami berkata, 'oh, perkara gelap tidak dapat melakukan itu, jadi mesti perkara lain,'" ingat Slatyer. "Harapan saya adalah ini merupakan kajian pertama dari banyak wilayah galaksi yang menggunakan teknik serupa. Tetapi pada tahun 2018, pemeriksaan silang utama kaedah ini masih seperti yang telah kami lakukan pada tahun 2015, yang membuat saya cukup gugup kerana kami mungkin terlepas sesuatu. "
Akhirnya Slatyer dan Leane memutuskan untuk menguji model tersebut. Slatyer bimbang ia mungkin tidak cukup mantap. Mereka memutuskan untuk membuat peta langit "palsu" termasuk isyarat perkara gelap dan pulsar yang tidak dikaitkan dengan GCE. Mereka memasukkannya ke dalam model dan walaupun data mereka mengandungi isyarat bahan gelap palsu, model tersebut menyimpulkan bahawa itu adalah butiran, dan oleh itu berdominasi pulsar. Menurut Slatyer, itu adalah bukti bahawa model mereka tidak mudah dibendung, dan masih ada ruang untuk bahan gelap memainkan peranan dalam GCE.
"Sekiranya ia adalah bahan gelap, ini akan menjadi bukti pertama mengenai bahan gelap yang berinteraksi dengan bahan yang dapat dilihat melalui daya selain graviti."
Rebecca Leane, Pengarang Bersama, Sekolah Sains Alam, Institut Kajian Lanjutan.
Kemudian rakan sekerja mencadangkan agar para penyelidik menambahkan isyarat bahan gelap palsu yang digabungkan dengan pemerhatian Fermi sebenar untuk menguji model mereka, dan bukannya dengan peta latar belakang palsu.
Mereka melakukannya, dan model statistik mereka gagal dalam ujian. Walaupun isyarat jirim gelap halus, model itu menghasilkan hasil yang dikuasai pulsar kasar. Mereka menaikkan isyarat bahan gelap mereka hingga empat kali lebih besar daripada ukuran GCE sebenar dan masih model mereka gagal mengesannya.
"Pada tahap itu, saya cukup teruja, kerana saya tahu implikasinya sangat besar - ini bermaksud bahawa penjelasan masalah gelap sudah ada di atas meja," kata Leane.
Sekiranya hasil terbaru ini betul, maka itu adalah masalah besar.
"Sekiranya ia adalah bahan gelap, ini akan menjadi bukti pertama mengenai bahan gelap yang berinteraksi dengan bahan yang dapat dilihat melalui kekuatan selain graviti," kata Leane. "Sifat materi gelap adalah salah satu persoalan terbuka terbesar dalam fizik pada masa ini. Mengenal pasti isyarat ini sebagai bahan gelap mungkin membolehkan kita akhirnya mendedahkan identiti asas jirim gelap. Tidak kira apa kelebihannya, kita akan belajar sesuatu yang baru mengenai alam semesta. "
"Sangat menggembirakan kerana kami fikir kami telah menghilangkan kemungkinan bahawa ini adalah perkara gelap," kata Slatyer dalam siaran akhbar. "Tetapi sekarang ada celah, kesalahan sistematik dalam tuntutan yang kami buat. Ini membuka kembali pintu untuk isyarat yang datang dari bahan gelap. "
Hasil baru ini diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters ’terbitan 11 Disember.
Lagi:
- Siaran Akhbar MIT: Adakah bahan gelap di pusat Bima Sakti?
- Kertas Penyelidikan: Kebangkitan Hipotesis Masalah Gelap untuk Galactic Center Gamma-Ray Excess
- Wikipedia: Partikel Massa Berinteraksi Lemah (WIMPs)
