Er der mørkt stof i midten af ​​Mælkevejen?

MIT -fysikere genoptager muligheden, som de tidligere havde snuset ud, at et lyst udbrud af gammastråler i midten af ​​vores galakse trods alt kan være et resultat af mørkt stof.

Årevis, fysikere har kendt til et mystisk overskud af energi i Mælkevejens centrum, i form af gammastråler - de mest energiske bølger i det elektromagnetiske spektrum. Disse stråler produceres typisk af de varmeste, de mest ekstreme objekter i universet, såsom supernovaer og pulsarer.

Gammastråler findes på tværs af Mælkevejens skive, og for det meste forstår fysikere deres kilder. Men der er en glød af gammastråler i Mælkevejens centrum, kendt som det galaktiske centeroverskud, eller GCE, med egenskaber, der er vanskelige for fysikere at forklare givet, hvad de ved om fordelingen af ​​stjerner og gas i galaksen.

Der er to førende muligheder for, hvad der kan producere dette overskud:en befolkning med høj energi, hurtigt roterende neutronstjerner kendt som pulsarer, eller, mere lokkende, en koncentreret sky af mørkt stof, kolliderer med sig selv for at producere en overflod af gammastråler.

I 2015, et MIT-Princeton University-team, herunder lektor i fysik Tracy Slatyer og postdocs Benjamin Safdi og Wei Xue, kom ned til fordel for pulsarer. Forskerne havde analyseret observationer af det galaktiske center taget af Fermi Gamma-ray Space Telescope, ved hjælp af en "baggrundsmodel", som de udviklede til at beskrive alle de partikelinteraktioner i galaksen, der kunne producere gammastråler. De konkluderede, ret endegyldigt, at GCE sandsynligvis var et resultat af pulsarer, og ikke mørkt stof.

Imidlertid, i nyt arbejde, ledet af MIT postdoc Rebecca Leane, Slatyer har siden revurderet denne påstand. I forsøget på at bedre forstå analysemetoden fra 2015, Slatyer og Leane fandt ud af, at den model, de brugte, faktisk kunne "narres" til at producere det forkerte resultat. Specifikt, forskerne kørte modellen på faktiske Fermi -observationer, som MIT-Princeton-teamet gjorde i 2015, men denne gang tilføjede de et falsk ekstrasignal om mørkt stof. De fandt ud af, at modellen ikke kunne opfange dette falske signal, og selvom de skruede signalet op, modellen fortsatte med at antage, at pulsarer var kernen i overskuddet.

Resultaterne, offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , fremhæve en "fejlmodellerende effekt" i 2015 -analysen og genåbne, hvad mange havde troet var en lukket sag.

"Det er spændende, fordi vi troede, at vi havde elimineret muligheden for, at dette er mørkt stof, "Siger Slatyer." Men nu er der et smuthul, en systematisk fejl i det krav, vi har fremsat. Det åbner døren igen, for at signalet kommer fra mørkt stof. "

Mælkevejens centrum:kornet eller glat?

Mens Mælkevejen galaksen mere eller mindre ligner en flad disk i rummet, overskuddet af gammastråler i midten optager en mere sfærisk region, strækker sig omkring 5, 000 lysår i alle retninger fra det galaktiske centrum.

I deres undersøgelse fra 2015, Slatyer og hendes kolleger udviklede en metode til at afgøre, om profilen for denne sfæriske region er glat eller "kornet". De begrundede, at hvis pulsarer er kilden til gammastråleoverskuddet, og disse pulsarer er relativt lyse, gammastrålerne, de udsender, skal bo i et sfærisk område, der, når det er afbildet, ser kornet ud, med mørke huller mellem lyspunkterne, hvor pulsarerne sidder.

Hvis, imidlertid, mørkt stof er kilden til gammastråleoverskuddet, det sfæriske område skal se glat ud:"Hver sigtelinje mod det galaktiske centrum har sandsynligvis partikler af mørkt stof, så jeg burde ikke se huller eller kolde pletter i signalet, "Forklarer Slatyer.

Hun og hendes team brugte en baggrundsmodel af alt stof og gas i galaksen, og alle partikelinteraktioner, der kan forekomme for at producere gammastråler. De betragtede modeller for GCE's sfæriske region, der var kornet på den ene side eller glatte på den anden, og udtænkte en statistisk metode til at fortælle forskellen mellem dem. De fodrede derefter ind i modellen faktiske observationer af det sfæriske område, taget af Fermi -teleskopet, og kiggede for at se, om disse observationer passede mere til en glat eller kornet profil.

"Vi så, at det var 100 procent kornet, og så sagde vi, 'åh, mørkt stof kan ikke gøre det, så det må være noget andet, "" Husker Slatyer. "Mit håb var, at dette kun ville være den første af mange undersøgelser af den galaktiske centerregion ved hjælp af lignende teknikker. Men i 2018, de vigtigste krydskontroller af metoden var stadig dem, vi havde foretaget i 2015, hvilket gjorde mig temmelig nervøs for, at vi måske har savnet noget. "

Plantning af en falsk

Efter ankomsten til MIT i 2017, Leane blev interesseret i at analysere gammastråledata. Slatyer foreslog, at de forsøgte at teste robustheden af ​​den statistiske metode, der blev brugt i 2015, at udvikle en dybere forståelse af resultatet. De to forskere stillede det vanskelige spørgsmål:Under hvilke omstændigheder ville deres metode bryde sammen? Hvis metoden modstod afhøring, de kunne være sikre på det originale 2015 -resultat. Hvis, imidlertid, de opdagede scenarier, hvor metoden kollapsede, det ville tyde på, at der var noget galt med deres tilgang, og måske kunne mørkt stof stadig være i centrum for gammastråleoverskuddet.

Leane og Slatyer gentog tilgangen til MIT-Princeton-teamet fra 2015, men i stedet for at fodre ind i modellen Fermi -data, forskerne udarbejdede i det væsentlige et falsk kort over himlen, herunder et signal om mørkt stof, og pulsarer, der ikke var forbundet med gammastråleoverskuddet. De fodrede dette kort ind i modellen og fandt ud af, at på trods af at der er et mørkt stofsignal inden for den sfæriske region, modellen konkluderede, at denne region sandsynligvis var kornet og derfor domineret af pulsarer. Dette var det første spor, Slatyer siger, at deres metode "ikke var idiotsikker."

På en konference for at præsentere deres resultater hidtil, Leane underholdt et spørgsmål fra en kollega:Hvad nu hvis hun tilføjede et falsk signal om mørkt stof, der blev kombineret med virkelige observationer, frem for med et falsk baggrundskort?

Holdet tog udfordringen op, fodring af modellen med data fra Fermi -teleskopet, sammen med et falsk signal om mørkt stof. På trods af det bevidste anlæg, deres statistiske analyse savnede igen signalet om mørkt stof og returnerede en kornet, pulsar-lignende billede. Selv når de skruede op for mørkt stofsignal til fire gange størrelsen af ​​det faktiske gammastråleoverskud, deres metode kunne ikke se det.

"På det tidspunkt, Jeg var ret spændt, fordi jeg vidste, at konsekvenserne var meget store - det betød, at forklaringen på det mørke stof var tilbage på bordet, "Siger Leane.

Hun og Slatyer arbejder på at bedre forstå bias i deres tilgang, og håber at stille op på denne bias i fremtiden.

"Hvis det virkelig er mørkt stof, dette ville være det første tegn på, at mørkt stof interagerer med synligt stof gennem andre kræfter end tyngdekraften, "Leane siger." Naturen i mørkt stof er et af de største åbne spørgsmål i fysik i øjeblikket. At identificere dette signal som mørkt stof kan muligvis endelig afsløre mørkt stofs grundlæggende identitet. Uanset hvad overskuddet viser sig at være, vi vil lære noget nyt om universet. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.