Екипът на космическия телескоп Fermi е открил тъмни галактики в небето без звезди, а тъмна материя тлее. Откривачите все още не вярват в находката и е невъзможно да се провери независимо техните резултати - учените не разкриват къде са кандидатите
В допълнение към големия конфликт на две култури - „физици и лирици“, въведени в обращение от британеца Чарлз Сноу точно преди 50 години, от векове има и малък конфликт, касаещ изключително „физици“. Това е сблъсък между теория и експеримент, в който първите обикновено играят ролята на безразсъдни либерали, а вторите като отговорни консерватори.
През последните няколко години в астрофизиката този конфликт никъде не се е проявил толкова ясно, както в историята на частиците от тъмната материя, превръщането на които в веществото, с което сме свикнали, някои учени виждат, докато други не. И двете вярвания се основават на едни и същи данни.
Папараци и PAMELA
Гниене и унищожаване
Разпадът се нарича спонтанен разпад на частици, като разпад на ураново ядро или неутрон, който напуска всяко атомно ядро. Анигилацията е взаимното унищожаване на частиците, когато се срещнат помежду си, например унищожаването на електрон и позитрон и като цяло на материята и антиматерията.
Скоростта на гниене зависи само от броя на нестабилните частици, а сигналът за унищожаване определя честотата на сблъсъците на частици помежду си. Следователно скоростта на гниене е пропорционална на плътността, а скоростта на унищожаване е пропорционална на квадрата на това количество. Ето как астрономите се надяват да разграничат унищожаването от разпадането в данните от наблюденията.
Най-голямо напрежение на страстта достигна в средата на 2008 г., когато международният научен експеримент PAMELA на борда на руския сателит Resurs-DK откри излишък от високоенергийни позитрони в близост до Слънцето. Възможно е те да са се родили по време на спонтанен разпад или взаимно унищожаване на екзотични частици, които се предполага, че съставляват тъмна материя.
Разбира се, са възможни и други обяснения, но перспективата да се „види“невидима материя беше толкова привлекателна, че за да получат непубликувани данни на PAMELA, слухове за които циркулират в астрофизичната среда, много млади теоретици излязоха навън. Някои дори са снимали непубликувани PAMELA класации на мобилни телефони по време на докладите на участниците в проекта на конференции и въз основа на тези данни са писали теоретични статии. Такива смели души, нарушаващи неписаните етични правила на научната общност, дори бяха наречени „научни папараци“.
В резултат на това данните на PAMELA бяха публикувани официално, но те все още нямат недвусмислено тълкуване. Някой смята, че това са следи от тъмни частици, някой обвинява неутронните звезди в околностите на Слънцето за появата им, някой като цяло вярва, че говорим за неотчетени систематични грешки в работата на оборудването на PAMELA.
Мъгла, мъгла
Мнозина се надяваха ситуацията да се изясни със старта на космическата обсерватория Ферми, която открива фотони с много висока енергия. Възможно е те да бъдат произведени от взаимодействието на обикновена светлина с високоенергийни заредени частици (това е така нареченото Compton обратно разсейване). И така учените се надяваха да изяснят ситуацията с данните на PAMELA.
WMAP Haze WMAP
откри излишък от микровълново излъчване от галактическия център - така наречената „WMAP мараня“, която остава в данните след изваждане на всички известни микровълнови източници от тях. Едно от най-вероятните обяснения за това е синхротронното излъчване на енергийни електрони, навиващи се по индукционната линия на междузвездни магнитни полета. Точно върху същите електрони, с помощта на обратния комптонов ефект, могат да се получат високоенергийни фотони, които Ферми е в състояние да види.
Ако частиците от тъмната материя наистина станат източник на енергийни позитрони и електрони, тогава те трябва да се раждат по-често точно там, където има повече тъмна материя. Според съвременните представи такива места се считат за центрове на галактики. Така астрономите с нетърпение очакваха да видят Ферми да се насочи към сърцето на нашия собствен Млечен път. Освен това астрономите получиха намек за голям брой електрони преди няколко години от космическия кораб WMAP.
Промоционално видео:
Ферми влезе в орбита през юни 2008 г. и започна да събира научни данни няколко месеца по-късно. Според правилата на групата, данните от телескопа се появяват в публичното пространство само година след получаването им - с цел да се даде възможност на „техните“теоретици да пренесат основния научен крем от тях. Годината изтичаше в началото на есента, но една група теоретици не изчакаха и почти повториха историята с „научните папараци“. Според статия, която се появи през юли, Ферми вижда излишък от радиация към галактическия център. Освен това предварителният анализ показа, че това излъчване може да се генерира върху същите частици, които проектът PAMELA улови.
Когато данните на Ферми все пак бяха публикувани, учените повториха анализа си и вече по-уверено заявиха: в допълнение към „маранята на WMAP“има и „мъгла на Ферми“, в която теорията за гниене или унищожаване на тъмната материя се вписва добре. Тази работа, ръководена от Грегъри Добър от Харвардския център за астрофизика, вече не се срамува да се позовава дори на сериозни учени, въпреки че резултатите от нея не са твърде различни от заключенията от предишната работа на същата група.
Мистър Не
Има обаче едно важно предупреждение. Дори ако в района на галактическия център съществуват голям брой високоенергийни електрони и позитрони (и има все по-малко съмнения за това), тогава техният произход от частиците на тъмната материя все още трябва да бъде доказан. По принцип те могат да имат други източници - например ударни вълни от експлозии на свръхнови или все същите неутронни звезди, които остават на мястото на такива експлозии. Центърът на Галактиката трябва да бъде изпълнен с двете - просто защото има толкова много звезди, някои от които рано или късно избухват. И въпреки че алтернативните модели трябва да са доста „надути“, за мнозина това все пак е по-приемливо обяснение от някакъв вид тъмна материя.
„Доблер и компания са стъпили на тънък лед“, предупреди Елиът Блум, един от малкото чисти теоретици в екипа на експеримента на Ферми, след публикуването на статията им. В сърцето си този човек вероятно трябва да се бори със себе си - теоретик, посветил половината си живот на перспективите за косвено обяснение на същността на тъмната материя, наскоро той стана „Мистър Не“на колаборацията на Ферми. Именно той най-често трябва да коментира произведения като статията на Доблер и да убеди колегите и журналистите, че заключенията на „ъпдейтите“са поне преждевременни.
По ирония на съдбата е, че работата на Блум (pdf файл), представена от името на сътрудничеството под формата на плакат на симпозиума „Ферми 2009“във Вашингтон, може да започне още един епизод от историята на наблюдателното откриване на тъмна материя. Резултатите от тази работа обърнаха внимание на прочутия разсадник на физическите слухове - блогът Resonaances, който се поддържа от полския физик Адам Фалковски от Американския университет Рутгерс.
Тъмни галактики
Проблемът
с подструктурата Разминаването между прогнозираната теория и реалния брой спътници-джуджета в Млечния път и други галактики се нарича проблем с подструктурата. Стандартното му решение е, че около нас има галактики джуджета, но в тях не се образуват звезди.
Последните доказателства сочат, че подобно обяснение наистина може да работи: най-малкият от наскоро откритите спътници на нашата галактика наистина се състои от само няколкостотин звезди. Но тяхната маса (може да се прецени по движението на звездите) е много по-голяма. По-голямата част от него се приема, че се съдържа в тъмна материя.
Блум аргументирано правилно: за да се изключи алтернатива с ускоряването на електроните на ударни вълни, трябва да се търси там, където свръхновите не избухват. В идеалния случай - там, където изобщо няма звезди, трябва да има тъмна материя. Според теорията такива ореоли от беззвездна тъмна материя наистина би трябвало да заобикалят нашата Галактика - теорията прогнозира десетина или два пъти повече галактики джудже, отколкото всъщност се наблюдава.
За да намерят това, което звездите не светят, Блум и неговият колега Пин Уан трябваше да претърсят целия архив на данни на Ферми в търсене на разширени обекти, чието гама излъчване съответства на модела на разпад или унищожаване на частици от тъмна материя. Освен това такива обекти не трябва да съвпадат с известни източници и потокът от фотони от тях не трябва да се променя във времето.
Блум и Уанг откриха 54 разширени източника, които се открояваха над фона с поне четири стандартни отклонения. След като последователно изследвали всяка от тях, учените отхвърлили 50 потенциални „беззвездни галактики“, тъй като не отговарят на избраните критерии. Остават четири, които отговарят на критериите. Над фон те всички изпъкват дори не с четири, а с поне пет стандартни отклонения.
Независимо от това, Блум надяна отново маската "Мистър Не" и заключи, че в данните на Fermi за първите десет месеца не са открити нови тъмни джуджета. Основният аргумент, даден от учения, е несъответствието между спектрите на тези източници на избраните теоретични модели на разпад на тъмната материя.
Коварен въпрос
Но това е нелепо, смята Фалковски, - дайте на нормален теоретик почти всеки спектър в ръцете си и той ще излезе с модел за вас след 15 минути, който ще опише този спектър. Около 15 минути е, разбира се, артистично преувеличение, но досега моделите на разпад и унищожаване наистина предоставят много широка възможност за теоретична маневра.
Може би затова Блум не дава спектри. Той не дава в работата си координатите на кандидатите или каквито и да е други данни за тях.
Всичко това е много интригуващо, смята Фалковски. Блум не казва, че няма тъмни галактики, той само твърди, че „те не са били открити в данните на Ферми за първите десет месеца“. Никой не знае какво ще се случи с данните за следващите години. Ясното е, че Bloom, като член на сътрудничеството на Fermi, ще има достъп до тях преди всеки друг.