Mælkevejenes oprindelse er muligvis ikke så mørkt

En mystisk gammastråle i midten af ​​Mælkevejen er højst sandsynligt forårsaget af pulsarer - de utroligt tætte, hurtigt roterende kerner af kollapsede gamle stjerner, der var op til 30 gange mere massive end solen. Det er konklusionen på en ny analyse fra et internationalt hold af astrofysikere, herunder forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. Resultaterne sår tvivl om tidligere fortolkninger af signalet som et potentielt tegn på mørkt stof - en form for stof, der tegner sig for 85 procent af alt stof i universet, men som indtil videre har unddraget sig opdagelse.

"Vores undersøgelse viser, at vi ikke har brug for mørkt stof for at forstå gammastrålingen fra vores galakse, " sagde Mattia Di Mauro fra Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), et fælles institut af Stanford University og SLAC. "I stedet, vi har identificeret en population af pulsarer i området omkring det galaktiske centrum, som kaster nyt lys over Mælkevejens dannelseshistorie."

Di Mauro ledede analysen for Fermi LAT Collaboration, et internationalt hold af forskere, der så på gløden med Large Area Telescope (LAT) på NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope, som har kredset om Jorden siden 2008. LAT – et følsomt "øje" for gammastråler, den mest energiske form for lys – blev udtænkt og samlet hos SLAC, som også er vært for sit driftscenter.

Samarbejdets resultater, indsendt til The Astrofysisk tidsskrift til udgivelse, findes som fortryk.

En mystisk glød

Mørkt stof er et af de største mysterier i moderne fysik. Forskere ved, at mørkt stof eksisterer, fordi det bøjer lys fra fjerne galakser og påvirker, hvordan galakser roterer. Men de ved ikke, hvad stoffet er lavet af. De fleste forskere mener, at det er sammensat af endnu ikke-opdagede partikler, der næsten aldrig interagerer med regulært stof andet end gennem tyngdekraften, gør det meget svært at opdage dem.

En måde, videnskabelige instrumenter kan få et glimt af partikler af mørkt stof, er når partiklerne enten henfalder eller kolliderer og ødelægger hinanden. "Bedt studerede teorier forudsiger, at disse processer ville producere gammastråler, " sagde Seth Digel, leder af KIPACs Fermi-gruppe. "Vi søger efter denne stråling med LAT i områder af universet, der er rige på mørkt stof, såsom midten af ​​vores galakse."

Tidligere undersøgelser har faktisk vist, at der kommer flere gammastråler fra det galaktiske center end forventet, brændstof for nogle videnskabelige artikler og medierapporter, der tyder på, at signalet kan antyde længe søgte mørkt stofpartikler. Imidlertid, gammastråler produceres i en række andre kosmiske processer, som skal udelukkes, før der kan drages nogen konklusion om mørkt stof. Dette er særligt udfordrende, fordi det galaktiske center er ekstremt komplekst, og astrofysikere kender ikke alle detaljerne om, hvad der foregår i den region.

De fleste af Mælkevejens gammastråler stammer fra gas mellem stjernerne, der er oplyst af kosmiske stråler – ladede partikler produceret i kraftige stjerneeksplosioner, kaldet supernovaer. Dette skaber en diffus gammastråleglød, der strækker sig gennem galaksen. Gammastråler produceres også af supernova-rester, pulsarer - kollapsede stjerner, der udsender "stråler" af gammastråler som kosmiske fyrtårne ​​- og mere eksotiske objekter, der optræder som lyspunkter.

"To nyere undersøgelser udført af hold i USA og Holland har vist, at gammastråleoverskuddet i det galaktiske centrum er plettet, ikke glat, som vi ville forvente for et mørkt stof-signal, " sagde KIPAC's Eric Charles, som har bidraget til den nye analyse. "Disse resultater tyder på, at pletterne kan skyldes punktkilder, som vi ikke kan se som individuelle kilder med LAT, fordi tætheden af ​​gammastrålekilder er meget høj, og den diffuse glød er klarest i det galaktiske centrum."

Rester af gamle stjerner

Den nye undersøgelse tager de tidligere analyser til næste niveau, demonstrerer, at det plettede gammastrålesignal er i overensstemmelse med pulsarer.

"I betragtning af at omkring 70 procent af alle punktkilder i Mælkevejen er pulsarer, de var de mest sandsynlige kandidater, " sagde Di Mauro. "Men vi brugte en af ​​deres fysiske egenskaber til at komme til vores konklusion. Pulsarer har meget distinkte spektre – dvs. deres emissioner varierer på en bestemt måde med energien af ​​de gammastråler, de udsender. Ved at bruge formen af ​​disse spektre, vi var i stand til at modellere gløden af ​​det galaktiske center korrekt med en befolkning på omkring 1, 000 pulsarer og uden at introducere processer, der involverer mørkt stof partikler."

Holdet planlægger nu opfølgende undersøgelser med radioteleskoper for at afgøre, om de identificerede kilder udsender deres lys som en række korte lysimpulser - varemærket, der giver pulsarer deres navn.

Opdagelser i haloen af ​​stjerner omkring centrum af galaksen – den ældste del af Mælkevejen – afslører også detaljer om udviklingen af ​​vores galaktiske hjem, ligesom oldtidslevn lærer arkæologer om menneskets historie.

"Isolerede pulsarer har en typisk levetid på 10 millioner år, som er meget kortere end de ældste stjerners alder nær det galaktiske centrum, " sagde Charles. "Det faktum, at vi stadig kan se gammastråler fra den identificerede pulsarpopulation i dag, tyder på, at pulsarerne er i binære systemer med ledsagende stjerner, hvorfra de udvasker energi. Dette forlænger pulsarernes levetid enormt."

Mørkt stof forbliver undvigende

De nye resultater tilføjer andre data, der udfordrer fortolkningen af ​​gammastråleoverskuddet som et mørkt stof-signal.

"Hvis signalet skyldtes mørkt stof, vi ville forvente at se det også i centrene af andre galakser, " sagde Digel. "Signalet burde være særligt tydeligt i dværggalakser, der kredser om Mælkevejen. Disse galakser har meget få stjerner, har typisk ikke pulsarer og holdes sammen, fordi de har meget mørkt stof. Imidlertid, vi ser ikke nogen væsentlige gamma-stråleemissioner fra dem."

Forskerne mener, at en nyligt opdaget stærk gammastråleglød i centrum af Andromeda-galaksen, den store galakse tættest på Mælkevejen, kan også være forårsaget af pulsarer i stedet for mørkt stof.

Men det sidste ord er måske ikke sagt. Selvom Fermi-LAT-holdet studerede et stort område på 40 grader gange 40 grader omkring Mælkevejens galaktiske centrum (diameteren af ​​fuldmånen er omkring en halv grad), den ekstremt høje tæthed af kilder i de inderste fire grader gør det meget vanskeligt at se individuelle og udelukke en jævn, mørkt stoflignende gammastrålefordeling, efterlader begrænset plads til mørke stof-signaler at skjule.

Dette arbejde blev finansieret af NASA og DOE Office of Science, samt agenturer og institutter i Frankrig, Italien, Japan og Sverige.