Um dunkle Materie zu entdecken, musst du das Zentrum der Galaxie beobachten. • Maria Kirsanova • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Astronomie

Um dunkle Materie zu entdecken, muss man das Zentrum der Galaxie beobachten.

Abb. 1. Dunkle Materie um Galaxien, stellt wahrscheinlich eine Reihe von Clustern verschiedener Größen und Gewichte (minimale Abmessungen und Gewicht, die heute getroffen werden, wenn die Berechnung – von 120 bis 1712 Parsec Sonnenmassen jeweils das Maximum – in die Hunderttausende Male größer ist). In der Mitte des Bildes befindet sich das massereichste Gerinnsel, das die Galaxie direkt umgibt. Gerinnsel sehen leuchtend aus, aber dies sind nur künstliche Farben, um die Ergebnisse zu visualisieren; in Wirklichkeit wurde keine Strahlung von der geheimnisvollen dunklen Materie gefunden. Die Figur wurde nach den Ergebnissen von Berechnungen an einem Supercomputer im Rahmen des Aquarius-Projekts erstellt. Bild von www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Die kombinierte Gruppe von europäischen Physiker (in der „Wassermann“ Projekt, das Wassermann Project) empfangenen Noten von möglichen Helligkeit von Gammastrahlung durch die Vernichtung der dunklen Materie Teilchen in unserer Galaxie erzeugt. Wissenschaftler vermuten, dass die gestreute Strahlung aus dem dunklen Halo der Galaxie viel heller sein wird als aus vielen separaten Bündeln dunkler Materie. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht. Natur.

Natürlich scheint dunkle Materie nicht im sichtbaren Bereich oder in irgendeinem anderen Spektralbereich. In jedem Fall wurde dies noch nicht entdeckt.Die Natur der dunklen Materie – die Form, in der der größte Teil der Materie im Universum enthalten ist – bleibt den Physikern mehrere Jahrzehnte lang ein Rätsel. Es wird vermutet, dass es aus Teilchen unbekannter Natur bestehen kann – Wimps (aus dem Englischen. WIMP, Weakly Interactive Massive Particles), zwischen denen es keine elektromagnetische Wechselwirkung gibt: Sie emittieren keine Photonen, und wir können diese Teilchen nicht direkt sehen. Das Konzept der WIMP-Teilchen legt nahe, dass sie indirekt nachgewiesen werden können – laut Beobachtungen von Gammastrahlung, die während der Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen auftritt. Da niemand Teilchen und Antiteilchen der Dunklen Materie beobachtet hat, ist nicht sicher bekannt, ob sie Teilchen vernichten können, daher werden Beobachtungen durchgeführt, um Theorien und Annahmen zu testen.

Europäische Wissenschaftler unter der Leitung von Volker Springel nutzten ein Computermodell der Dunklen Materie, um darzustellen, welche Daten zur Verteilung von Gammastrahlung im Weltraum Weltraumteleskope, insbesondere das Teleskop, erhalten. E. Fermi, Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop (wie kürzlich GLAST-Teleskop, Gamma-ray Large Area Space Telescope genannt). Das von ihnen verwendete Computermodell wurde von der Vereinigung der Wissenschaftler "Aquarius" vom Institut für Astrophysik erstellt.Max Planck in Garching (Deutschland) und das Institut für Computational Cosmology in Durham (Vereinigtes Königreich). Dieser Verein hat die Teilnehmer der Projekte Virgo und Millenium Project aufgenommen, die auch Computersimulationen von Galaxien und ihren Clustern für die kosmologische Forschung durchgeführt haben. Die Ergebnisse einer der berechneten Varianten dieses Modells sind in Abb. 1.

Die Springel-Gruppe verwendete die hierarchische Struktur von Blutgerinnseln – ihre durchschnittliche Größe und Konzentration, die im Modell zur Durchführung von Bewertungen erhalten wurde. Sie nahmen eine bestimmte abstrakte Position im Raum ein, die mit jedem Haufen innerhalb der Berechnungsdomäne des Modells verbunden war, und berechneten die Leuchtkraft im Gamma-Bereich von diesem Haufen. Die Wissenschaftler waren an den Photonen interessiert, die vermutlich als Ergebnis der Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen der dunklen Materie entstanden sind. Theoretisch sollte diese Gammastrahlung vier Komponenten enthalten. Das erste ist das diffuse Licht aus dem dunklen Halo, das die Galaxie direkt umgibt (das Zentrum von Abbildung 1, der sogenannte "Haupthalo"). Die zweite ist das diffuse Licht von Trauben kleinerer Größe, Subhalo. Das dritte ist das Licht von noch kleineren Clustern, die im Subhalo enthalten sind.Und schließlich ist die vierte Komponente das Licht kleiner Bündel, die so klein sind, dass es nicht möglich ist, sie einzeln im Modell zu berücksichtigen, sondern man kann nur ihren gesamten Beitrag zur Gammastrahlung von dunkler Materie berücksichtigen.

Abb. 2 Die Helligkeitsverteilung von Gammastrahlung, die durch die Vernichtung dunkler Materieteilchen im Himmel erzeugt wird. Der Bildmittelpunkt entspricht der Richtung zum Zentrum der Galaxie (im Sternbild Schütze). Das Bild ist so aufgebaut, als ob terrestrische oder orbitale Teleskope in den Himmel schauen und die Gammastrahlung sehen, die mit der Vernichtung von WIMP-Teilchen verbunden ist. Bild von www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

In Abb. 2 zeigt, dass die maximale Helligkeit der Gammastrahlung in Richtung des Zentrums der Galaxie detektiert wird, während im Rest des Himmels nur einzelne kleine Spitzen der Gammastrahlung gefunden werden. Die Beiträge jeder der vier Komponenten des Modells sind unten gezeigt. Die Strahlung des größten Halos, der in Masse und Größe am größten ist, wird über den ganzen Himmel verteilt sein, seine Helligkeit wird mit der Entfernung vom galaktischen Zentrum allmählich abnehmen (Abb. 3a). Strahlung aus kleineren Trauben (die zweite und dritte Komponente), die in der Regel viel weiter als Halo und daher ziemlichgleichmäßig über den Himmel verteilt, wie in Abb. 3b. Es wird wie ein kunterbunter Hintergrund ohne ein deutlich markiertes Zentrum aussehen. Die Strahlung von der vierten Komponente – den kleinsten Trauben – ist in Abb. 3c. Es ist noch weniger hell und bietet einen einheitlichen Hintergrund.

Abb. 3 Vier Komponenten der Gammastrahlung, die aus der Vernichtung von Dunkler Materie entstehen: a – Strahlung des Haupthalos, b – Strahlung von kleineren Sträußen dunkler Materie (buntem Hintergrund ohne eigenes Zentrum), in der – Strahlung von den kleinsten Trauben (einheitlicher Hintergrund). Die Helligkeit aller Komponenten wird in denselben (relativen) Einheiten angezeigt. Um diese Bilder zu konstruieren, wurde der tatsächliche Abstand zwischen der Sonne und dem Zentrum der Galaxie verwendet – 8 Tausend Parsec. Bild von www.mpa-garching.mpg.de/aquarius

Die Ergebnisse der Springel-Gruppe ermöglichen auch quantitative Bewertungen vor der Durchführung von Beobachtungen. Erstens wird die typische Helligkeit der Subhalogenstrahlung in Bezug auf den Hintergrund (und der Hintergrund besteht aus allen vier Komponenten) nicht 10% des Verhältnisses der Helligkeit des Haupthalos zum Hintergrund überschreiten. Dies bedeutet, dass es schwieriger wird, Sub-Halos zu erkennen und es wird mehr Zeit benötigen, um ihre qualitativ hochwertigen Bilder zu erhalten. Es wird noch schwieriger, kleinere Trauben zu finden.Es wird angenommen, dass die typischen Sub-Halo-Massen geringer sein werden als die Massen bekannter Galaxiesatelliten der Milchstraße (zum Beispiel die Magellanschen Wolken). In einer Entfernung von etwa 10 Winkelsekunden von den Zentren typischer Subhalos fällt ihre Helligkeit zweimal ab, und das Fermi-Teleskop wird sie nicht erkennen können. Der Fluss der Gammastrahlung von Subhalogen- und kleineren Gerinnseln wird zehntausend bis eine Million Mal niedriger sein als der Fluss von dem Haupthalo. Und das alles trotz der Tatsache, dass der nächste Subhalo nur wenige tausend Parsec vom Zentrum der Galaxis entfernt sein kann.

Um die Zuverlässigkeit ihrer Ergebnisse sicherzustellen, haben Springel et al. Die Helligkeit der Gammastrahlung basierend auf mehreren Computermodellen der Dunklen Materie um die Galaxie geschätzt. Diese Modelle enthalten eine unterschiedliche Anzahl von symbolischen Punkten mit einer konstanten Gesamtmasse an dunkler Materie; in solchen, die weniger Punkte enthalten, ist es unmöglich, das Verhalten der dunklen Materie mit solchen Einzelheiten zu beschreiben, wie in solchen, die mehr Punkte enthalten. Auf der anderen Seite, je detaillierter das Modell ist, desto länger wird es dauern, bis der Supercomputer mit den Berechnungen fertig wird (in der Größenordnung von mehreren Wochen).Aufgrund der Tatsache, dass bestätigende und komplementäre Ergebnisse in Modellen mit unterschiedlicher Anzahl von Punkten erhalten wurden, sind die Autoren zuversichtlich, dass Gammateleskope genau das sehen werden, was in dem Artikel beschrieben wird.

Natürlich weiß noch niemand genau, wie genau die Gammastrahlung aussehen sollte, die mit Dunkler Materie in Verbindung steht. Die Massen von WIMP-Teilchen sollten nach der allgemein anerkannten Meinung unter Wissenschaftlern Energien in der Größenordnung von Hunderten von GeV entsprechen. Daher haben Beobachtungen in diesem hochenergetischen Bereich des Spektrums für diejenigen, die das Geheimnis der Dunklen Materie studieren, höchste Priorität. Nachdem qualitativ hochwertige Daten erhalten wurden, werden die Wissenschaftler aus dem erhaltenen Spektrum den Beitrag der bereits bekannten Quellen der Gammastrahlung "subtrahieren", und der Rest wird auf die Assoziation mit der Dunklen Materie analysiert. Wenn die zusätzliche Strahlung so auf den Himmel verteilt wird, wie Springer und seine Mitarbeiter zeigen, spricht dies dafür, dass die Strahlung mit der Vernichtung von WIMP-Teilchen verbunden ist.

Am entgegengesetzten Ende des elektromagnetischen Spektrums, im Radiobereich, inEine Nachbarschaft mit einem Durchmesser von 20 Grad um das Zentrum der Galaxie hat bereits einen ungewöhnlichen Überschuss an Mikrowellenstrahlung bei einer Frequenz von 22 GHz gefunden, die während des Experiments WMAP (Experiment zur Untersuchung der kosmischen Mikrowellenstrahlung, Wilkinson Microware Anisotropie Probe) – "WMAP Haze" (WMAP-Dunst) erhalten wurde. . Sein Spektrum sieht aus wie die Synchrotronstrahlung hochenergetischer Elektronen und Positronen, aber es hat zu hohe Frequenzen (oder entsprechend zu hohe Energien), um seine Entstehung auf der Grundlage von Phänomenen zu erklären, die den Astrophysikern bekannt sind. Beschleunigung in Stoßwellen von Supernovae, die Assoziation mit Gammastrahlenausbrüchen und einige andere Optionen sind nicht geeignet.

Erkannter WMAP-Dunst war der gleiche Weg, der bei der Suche nach Gammastrahlung, die mit Dunkler Materie assoziiert ist, der Hauptweg sein wird. Die Summe der Leuchtdichte von Synchrotronstrahlung im Mikrowellenbereich, die Strahlung geladener Teilchen im kontinuierlichen Spektrum (freie Strahlung, die nicht mit Elektronenübergängen zwischen atomaren Niveaus verbunden ist), Staubemission und schließlich der kosmische Mikrowellenhintergrund sollten ein Bild erzeugen, das von WMAP erhalten wird, aber sie enthält Stellen Sie sich eine zusätzliche Komponente vor, deren Erklärung noch nicht verfügbar ist.Das "Subtraktionsverfahren" im Gamma-Bereich wird dasselbe sein: Alle bekannten Strahlungsquellen im Gamma-Bereich (zB Supernova-Explosionen, Strahlung von einer Akkretionsscheibe um ein supermassives Schwarzes Loch) müssen innerhalb von Fehlern ein Bild erzeugen, das mit einem Teleskop erhalten wird zu ihnen. Fermi, wenn der mit Dunkler Materie verbundene Beitrag, nein.

Und im PAMELA-Experiment, das Teilchen der kosmischen Strahlung registriert und insbesondere den Fluss von Antiteilchen (Positronen, Antiprotonen) in einem weiten Energiebereich untersucht, wurde ein unerwartet hohes Verhältnis der Positronen zu Elektronen bei hohen Energien gefunden. Dieser Überschuss an Antiteilchen kann auch mit dem Beitrag der Annihilation von Teilchen dunkler Materie in Verbindung gebracht werden. Und in dieser Ausgabe teleskopieren sie sie. Fermi kann auch eine gewisse Klarheit bringen, da die Vernichtung von Teilchen dunkler Materie nicht nur Positronen, sondern auch Gamma-Quanten ergeben sollte.

Obwohl die Dunkle Materie noch nicht entdeckt wurde, hat die Gemeinschaft der Physiker und Astronomen die Meinung vertreten, dass die Ära der Entdeckung der Natur der Dunklen Materie gerade in unseren Tagen beginnt. Diese Sicht wird mit der Inbetriebnahme des Large Hadron Collider und dem Start des nächsten NASA-Weltraumobservatoriums in Verbindung gebracht. Fermi.Die Empfindlichkeit dieses Teleskops (dh die Fähigkeit, ein schwaches Signal aufzunehmen) und die Winkelauflösung (die Fähigkeit, entfernte und kleine Objekte zu unterscheiden) im Bereich von 20 MeV bis 300 GeV sollten Astronomen die Gammastrahlung bei der Vernichtung von Dunklen Materieteilchen entdecken und eine große wissenschaftliche Entdeckung machen.

Abb. 4 Das Bild des Himmels im Gamma-Bereich, basierend auf Beobachtungsdaten des Teleskops. Fermi. Wenn der indirekte Beitrag der Dunklen Materie zu dieser Strahlung nachgewiesen wird, sollte dieser Beitrag gemäß den Ergebnissen der Springel – Gruppe so aussehen, wie in Abb. 2. Das Bild stammt aus dem Archiv des Teleskops. Fermi. In der Mitte des Bildes – die Richtung des Zentrums der Galaxie. Bilder des Himmels in Gammastrahlen, aufgenommen von anderen Teleskopen und in anderen Frequenzintervallen, können hier eingesehen werden.

Eine Voruntersuchung des Himmels "Fermi" hat bereits durchgeführt, seine Ergebnisse sind in Abb. 4. Ich muss sagen, dass dieser Satellit nur 4 Tage benötigt hat, obwohl beim vorherigen EGRET-Gammateleskop eine solche Überprüfung ein ganzes Beobachtungsjahr erforderte. Deshalb setzen Wissenschaftler große Hoffnungen auf Fermi.

Quelle: V. Springel, S. D. M. White, C. S. Frenk, J. F. Navarro, A. Jenkins, M. Vogelsberger, J. Wang, A.Ludlow, A. Helmi. Aussichten für den Nachweis von supersymmetrischer dunkler Materie im Galaktischen Halo // Natur. V. 456. S. 73-76 (6. November 2008).

Maria Kirsanowa


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