Zespół Kosmicznego Teleskopu Fermi odkrył na niebie ciemne galaktyki bez gwiazd, ale tlącą się ciemną materię. Odkrywcy jeszcze nie wierzą w znalezisko, a ich wyników nie da się samodzielnie zweryfikować - naukowcy nie ujawniają, gdzie są kandydaci
Oprócz dużego konfliktu dwóch kultur - „fizyków i tekściarzy”, wprowadzonego do obiegu przez Brytyjczyka Charlesa Snowa dokładnie 50 lat temu, od wieków toczy się też mały konflikt dotyczący wyłącznie „fizyków”. To zderzenie teorii z eksperymentem, w którym ci pierwsi odgrywają zwykle rolę lekkomyślnych liberałów, a drudzy odpowiedzialni konserwatyści.
W ciągu ostatnich kilku lat w astrofizyce konflikt ten nigdzie nie objawił się tak wyraźnie, jak w historii cząstek ciemnej materii, których przemiana w substancję, do której jesteśmy przyzwyczajeni, niektórzy naukowcy widzą, a inni nie. Oba przekonania opierają się na tych samych danych.
Paparazzi i PAMELA
Rozpad i anihilacja
Rozpad nazywany jest spontanicznym rozpadem cząstek, podobnie jak rozpad jądra uranu lub neutronu, który opuszcza jądro atomowe. Anihilacja to wzajemne niszczenie cząstek, gdy się one spotykają, na przykład anihilacja elektronu i pozytonu oraz ogólnie materii i antymaterii.
Tempo zaniku zależy tylko od liczby niestabilnych cząstek, a sygnał anihilacji określa częstotliwość zderzeń cząstek ze sobą. Dlatego szybkość zaniku jest proporcjonalna do gęstości, a szybkość anihilacji jest proporcjonalna do kwadratu tej wielkości. W ten sposób astronomowie mają nadzieję odróżnić anihilację od rozpadu w danych obserwacyjnych.
Największe napięcie pasji osiągnęło w połowie 2008 roku, kiedy w międzynarodowym eksperymencie naukowym PAMELA na pokładzie rosyjskiego satelity Resurs-DK odkryto w pobliżu Słońca nadmiar wysokoenergetycznych pozytonów. Mogły równie dobrze narodzić się podczas spontanicznego rozkładu lub wzajemnej zagłady egzotycznych cząstek, z których ma składać się ciemna materia.
Oczywiście możliwe są inne wyjaśnienia, ale perspektywa „zobaczenia” niewidzialnej materii była na tyle atrakcyjna, że w celu uzyskania niepublikowanych danych PAMELA, o których krążą plotki w środowisku astrofizycznym, wielu młodych teoretyków poszło na całość. Niektórzy nawet sfotografowali niepublikowane wykresy PAMELA na telefonach komórkowych podczas relacji uczestników projektu na konferencjach i na podstawie tych danych napisali artykuły teoretyczne. Takie odważne dusze, łamiąc niepisane zasady etyczne społeczności naukowej, nazywano nawet „naukowymi paparazzi”.
W rezultacie dane PAMELA zostały mimo to formalnie opublikowane, ale nadal nie mają jednoznacznej interpretacji. Ktoś uważa, że są to ślady ciemnych cząstek, ktoś za ich pojawienie się obwinia gwiazdy neutronowe w pobliżu Słońca, ktoś generalnie uważa, że mówimy o niezliczonych systematycznych błędach w działaniu sprzętu PAMELA.
Mgła, mgła
Wielu miało nadzieję, że sytuacja zostanie wyjaśniona przez wystrzelenie Obserwatorium Kosmicznego Fermiego, które wykrywa fotony o bardzo wysokich energiach. Mogą być wytwarzane przez interakcję zwykłego światła z naładowanymi cząstkami o wysokiej energii (jest to tak zwane rozpraszanie wsteczne Comptona). I właśnie w ten sposób naukowcy mieli nadzieję wyjaśnić sytuację na podstawie danych PAMELA.
WMAP zamglenie WMAP
wykrył nadmiar promieniowania mikrofalowego ze środka Galaktyki - tak zwaną „mgiełkę WMAP”, która pozostaje w danych po odjęciu od nich wszystkich znanych źródeł mikrofal. Jednym z najbardziej prawdopodobnych wyjaśnień tego zjawiska jest promieniowanie synchrotronowe elektronów energetycznych nawijanych po linii indukcyjnej międzygwiazdowych pól magnetycznych. Dokładnie na tych samych elektronach, przy pomocy odwrotnego efektu Comptona, można wytworzyć fotony o wysokiej energii, które Fermi jest w stanie zobaczyć.
Jeśli cząstki ciemnej materii naprawdę staną się źródłem energetycznych pozytonów i elektronów, to powinny rodzić się częściej dokładnie tam, gdzie ciemnej materii jest więcej. Zgodnie z nowoczesnymi koncepcjami takie miejsca uważa się za centra galaktyk. A więc astronomowie nie mogli się doczekać, kiedy zobaczą Fermiego zmierzającego w kierunku serca naszej Drogi Mlecznej. Co więcej, astronomowie otrzymali wskazówkę o dużej liczbie elektronów kilka lat temu od sondy WMAP.
Film promocyjny:
Fermi wszedł na orbitę w czerwcu 2008 roku i kilka miesięcy później zaczął zbierać dane naukowe. Zgodnie z regułami grupy dane z teleskopu pojawiają się w przestrzeni publicznej dopiero rok po ich otrzymaniu - aby umożliwić „ich” teoretykom wyciągnięcie z nich głównego kremu naukowego. Rok kończył się wczesną jesienią, ale pewna grupa teoretyków nie czekała i prawie powtórzyła historię z „naukowymi paparazzi”. Według artykułu, który ukazał się w lipcu, Fermi widzi nadmiar promieniowania w kierunku centrum galaktyki. Ponadto wstępna analiza wykazała, że promieniowanie to może być generowane na dokładnie tych samych cząsteczkach, które wychwycił projekt PAMELA.
Kiedy mimo wszystko opublikowano dane Fermiego, naukowcy powtórzyli analizę i już z większą pewnością stwierdzili: oprócz „mgiełki WMAP” istnieje również „mgiełka Fermiego”, do której dobrze pasuje teoria rozpadu lub anihilacji ciemnej materii. Praca ta, prowadzona przez Gregory'ego Doblera z Harvard Center for Astrophysics, nie wstydzi się już odnosić nawet do poważnych naukowców, choć jej wyniki nie odbiegają zbytnio od wniosków z poprzedniej pracy tej samej grupy.
„Pan nie”
Jest jednak jedno ważne zastrzeżenie. Nawet jeśli w rejonie centrum galaktyki istnieje duża liczba wysokoenergetycznych elektronów i pozytonów (a wątpliwości co do tego jest coraz mniej), to wciąż trzeba udowodnić ich pochodzenie z cząstek ciemnej materii. Zasadniczo mogą mieć inne źródła - na przykład fale uderzeniowe z wybuchów supernowych lub te same gwiazdy neutronowe, które pozostają w miejscu takich wybuchów. Centrum Galaktyki powinno być pełne obu - po prostu dlatego, że jest tak wiele gwiazd, z których niektóre wcześniej czy później eksplodują. I chociaż alternatywne modele powinny być dość „naciągane”, dla wielu nadal jest to bardziej akceptowalne wyjaśnienie niż jakiś rodzaj ciemnej materii.
„Dobler i firma wkroczyli na cienki lód” - ostrzegł Elliot Bloom, jeden z niewielu czystych teoretyków w zespole eksperymentalnym Fermiego, po opublikowaniu ich artykułu. W głębi serca ta osoba prawdopodobnie musi walczyć z samym sobą - teoretyk, który połowę swojego życia poświęcił perspektywom pośredniego wyjaśnienia natury ciemnej materii, został niedawno „Panem Nie” kolaboracji Fermiego. To on najczęściej musi komentować takie prace jak artykuł Doblera i przekonywać współpracowników i dziennikarzy, że wnioski „nowicjuszy” są co najmniej przedwczesne.
Jak na ironię, to właśnie praca Blooma (plik pdf), zaprezentowana na zlecenie współpracy w formie plakatu na sympozjum Fermi 2009 w Waszyngtonie, może rozpocząć kolejny epizod w historii obserwacyjnego wykrywania ciemnej materii. Wyniki tej pracy zwróciły uwagę na znane siedlisko fizycznych plotek - blog Resonaances, prowadzony przez polskiego fizyka Adama Falkowskiego z American Rutgers University.
Ciemne galaktyki
Problem
podstruktury Rozbieżność między przewidywaną teorią a rzeczywistą liczbą satelitów karłowatych w Drodze Mlecznej i innych galaktykach nazywa się problemem podstruktury. Jego standardowym rozwiązaniem jest to, że wokół nas są galaktyki karłowate, ale gwiazdy w nich nie powstają.
Niedawne dowody sugerują, że takie wyjaśnienie może rzeczywiście działać: najmniejszy z niedawno odkrytych satelitów naszej galaktyki w rzeczywistości składa się z zaledwie kilkuset gwiazd. Ale ich masa (można to oszacować na podstawie ruchu gwiazd) jest znacznie większa. Zakłada się, że większość z nich znajduje się w ciemnej materii.
Bloom rozumował słusznie: aby wykluczyć alternatywę polegającą na przyspieszaniu elektronów na falach uderzeniowych, należy spojrzeć, gdzie supernowe nie wybuchają. Idealnie - tam, gdzie w ogóle nie ma gwiazd, a powinna być ciemna materia. Zgodnie z teorią takie bezgwiezdne halo ciemnej materii powinny rzeczywiście otaczać naszą Galaktykę - teoria przewiduje kilkanaście lub dwa razy więcej galaktyk karłowatych, niż faktycznie obserwuje się.
Aby dowiedzieć się, czego gwiazdy nie oświetlają, Bloom i jego kolega Pin Wan musieli przeszukać całe archiwum danych Fermiego w poszukiwaniu rozległych obiektów, których promieniowanie gamma odpowiada modelowi rozpadu lub anihilacji cząstek ciemnej materii. Ponadto takie obiekty nie powinny pokrywać się ze znanymi źródłami, a strumień fotonów z nich nie powinien się zmieniać w czasie.
Bloom i Wang znaleźli 54 rozszerzone źródła, które wyróżniały się co najmniej czterema odchyleniami standardowymi nad tłem. Po sekwencyjnym zbadaniu każdej z nich naukowcy odrzucili 50 potencjalnych „bezgwiezdnych galaktyk” jako niespełniających wybranych kryteriów. Zostały cztery spełniające kryteria. Powyżej tła wszystkie wyróżniają się nawet nie czterema, ale co najmniej pięcioma odchyleniami standardowymi.
Niemniej Bloom ponownie założył maskę „Mr. No” i stwierdził, że w danych Fermiego przez pierwsze dziesięć miesięcy nie wykryto żadnych nowych ciemnych karłów. Głównym argumentem podanym przez naukowca jest rozbieżność między widmami tych źródeł a wybranymi modelami teoretycznymi rozpadu ciemnej materii.
Subtelne pytanie
Ale to jest śmieszne, uważa Falkovsky, - dać normalnemu teoretykowi prawie każde spektrum w jego ręce, a on wymyśli dla ciebie model w 15 minut, który będzie opisywał to spektrum. Około 15 minut to oczywiście artystyczna przesada, ale dotychczasowe modele rozpadu i anihilacji rzeczywiście dają bardzo szerokie pole teoretycznego manewru.
Być może dlatego Bloom nie podaje widm. W swojej pracy nie podaje współrzędnych kandydatów ani żadnych innych danych na ich temat.
Wszystko to jest bardzo intrygujące, uważa Falkovsky. Bloom nie mówi, że nie ma ciemnych galaktyk, twierdzi jedynie, że „nie znaleziono ich w danych Fermiego przez pierwsze dziesięć miesięcy”. Nikt nie wie, co się stanie z danymi w kolejnych latach. Jasne jest, że Bloom, jako członek współpracy Fermi, będzie miał do nich dostęp przed wszystkimi innymi.