At forbinde prikkerne på himlen kunne kaste nyt lys over mørkt stof

Astrofysikere er kommet et skridt tættere på at forstå oprindelsen til en svag glød af gammastråler, der dækker nattehimlen. De fandt ud af, at dette lys er lysere i områder, der indeholder meget stof og svagere, hvor stof er sparsommere - en sammenhæng, der kunne hjælpe dem med at indsnævre egenskaberne af eksotiske astrofysiske objekter og usynligt mørkt stof.

Gløden, kendt som uløst gamma-ray baggrund, stammer fra kilder, der er så svage og langt væk, at forskere ikke kan identificere dem individuelt. Endnu, det faktum, at de steder, hvor disse gammastråler stammer, stemmer overens med, hvor massen findes i det fjerne univers, kunne være et vigtigt puslespil for at identificere disse kilder.

"Baggrunden er summen af ​​en masse ting 'derude', der producerer gammastråler. Efter at have været i stand til for første gang at måle dens korrelation med gravitationslinser - bittesmå forvrængninger af billeder af fjerne galakser produceret ved fordelingen af ​​stof - hjælper vi adskiller dem, "sagde Simone Ammazzalorso fra University of Turin og National Institute for Nuclear Physics (INFN) i Italien, der ledede analysen.

Undersøgelsen brugte et års data fra Dark Energy Survey (DES), som tager optiske billeder af himlen, og ni års data fra Fermi Gamma-ray Space Telescope, som observerer kosmiske gammastråler, mens den kredser om jorden.

"Det, der virkelig er spændende, er, at den korrelation, vi målte, ikke helt matchede vores forventninger, "sagde Panofsky -kollega Daniel Gruen fra Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University, der ledede analysen for DES -samarbejdet. "Dette kan betyde, at vi enten skal justere vores eksisterende modeller for objekter, der udsender gammastråler, eller det kan antyde andre kilder, såsom mørkt stof. "

Undersøgelsen blev i dag accepteret til offentliggørelse i Fysisk gennemgangsbreve .

To følsomme 'øjne' på himlen

Gammastråling, den mest energiske form for lys, produceres i en lang række kosmiske fænomener - ofte ekstremt voldelige, såsom eksploderende stjerner, tætte neutronstjerner, der roterer ved høje hastigheder og kraftige partikler, der skyder ud af aktive galakser, hvis centrale supermassive sorte huller tapper stof.

En anden potentiel kilde er usynligt mørkt stof, som menes at udgøre 85 procent af alt stof i universet. Det kan producere gammastråler, når mørke stofpartikler mødes og ødelægger hinanden i rummet.

Large Area Telescope (LAT) ombord på Fermi -rumfartøjet er et meget følsomt "øje" for gammastråling, og dens data giver et detaljeret kort over gammastrålekilder på himlen.

Men når forskere trækker alle de kilder, de allerede kender, fra deres kort er langt fra tomt; den indeholder stadig en gammastrålebaggrund, hvis lysstyrke varierer fra region til region.

"Desværre har gammastråler ikke en etiket, der kan fortælle os, hvor de kom fra, "Gruen sagde." Derfor har vi brug for yderligere oplysninger for at opklare deres oprindelse. "

Det er her DES kommer ind. Med sit 570 megapixel mørke energikamera, monteret på Victor M. Blanco 4-meters teleskop ved Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, den tager billeder af hundredvis af millioner af galakser. Deres nøjagtige former fortæller forskere, hvordan materiens tyngdekraft bøjer lys i universet - en effekt, der viser sig som små forvrængninger i galaksebilleder, kendt som svag gravitationslinse. Baseret på disse data, DES -forskerne skaber de mest detaljerede kort nogensinde over materie i kosmos.

I den nye undersøgelse, forskerne lagde Fermi- og DES -kortene oven på hinanden, som afslørede, at de to ikke er uafhængige. Den uløste gammastrålebaggrund er mere intens i områder med mere stof og mindre intens i områder med mindre stof.

"Selve resultatet er ikke overraskende. Vi forventer, at der er flere gammastråleproducerende processer i regioner, der indeholder mere stof, og vi har forudsagt denne sammenhæng i et stykke tid, "sagde Nicolao Fornengo, en af ​​Ammazzalorsos vejledere i Torino. "Men nu er det lykkedes os faktisk at opdage denne sammenhæng for første gang, og vi kan bruge den til at forstå, hvad der forårsager gammastrålebaggrunden. "

Potentielt tip om mørkt stof

En af de mest sandsynlige kilder til gammastråleglød er meget fjerne blazarer-aktive galakser med supermassive sorte huller i deres centre. Når de sorte huller sluger omgivende stof, de udspyder højhastighedsstråler af plasma og gammastråler, der, hvis jetflyene peger på os, detekteres af Fermi -rumfartøjet.

Blazars ville være den enkleste antagelse, men de nye data tyder på, at en simpel population af blazarer måske ikke er nok til at forklare den observerede sammenhæng mellem gammastråler og massefordeling, sagde forskerne.

"Faktisk, vores modeller for emissioner fra blazarer kan ret godt forklare lavenergidelen af ​​sammenhængen, men vi ser afvigelser for gammarenergier med høj energi, "Gruen sagde." Dette kan betyde flere ting:Det kan indikere, at vi skal forbedre vores modeller for blazarer, eller at gammastrålerne kan komme fra andre kilder. "

En af disse andre kilder kan være mørkt stof. En ledende teori forudsiger, at de mystiske ting er lavet af svagt interagerende massive partikler, eller WIMP'er, som kunne tilintetgøre hinanden i et glimt af gammastråler, når de støder sammen. Gammastråler fra visse kosmiske områder, der er rige på stof, kan derfor stamme fra disse partikelinteraktioner.

Ideen om at lede efter gammastrålesignaturer af tilintetgørende WIMP'er er ikke en ny. I løbet af de sidste år har forskere har søgt efter dem forskellige steder, der menes at indeholde meget mørkt stof, herunder midten af ​​Mælkevejen og Mælkevejens ledsagende galakser. Imidlertid, disse søgninger har endnu ikke frembragt identificerbare mørke materiesignaler. De nye resultater kan bruges til yderligere søgninger, der tester WIMP -hypotesen.

Planlægning af næste trin

Selvom sandsynligheden for, at den målte korrelation bare er en tilfældig effekt, kun er omkring en ud af tusinde, forskerne har brug for flere data til en afgørende analyse.

"Disse resultater, forbinder for første gang vores kort over gammastråler og stof, er meget interessante og har et stort potentiale, men i øjeblikket er forbindelsen stadig relativt svag, og man skal tolke dataene omhyggeligt, "sagde KIPAC -direktør Risa Wechsler, der ikke var involveret i undersøgelsen.

En af de vigtigste begrænsninger ved den aktuelle analyse er mængden af ​​tilgængelige lensingdata, Sagde Gruen. "Med data fra 40 millioner galakser, DES har allerede skubbet dette til et nyt niveau, og derfor var vi i stand til at lave analysen i første omgang. Men vi har brug for endnu bedre målinger, " han sagde.

Med sin næste datafrigivelse, DES vil levere objektivdata til 100 millioner galakser, og det fremtidige Large Synoptic Survey Telescope (LSST) vil se på milliarder af galakser i et meget større område af himlen.

"Vores undersøgelse viser med faktiske data, at vi kan bruge sammenhængen mellem fordelingen af ​​stof og gammastråler til at lære mere om, hvad der forårsager gammastrålebaggrunden, "Fornengo sagde." Med flere DES -data, LSST kommer online og andre projekter som Euklid rumteleskop i horisonten, vi vil kunne gå meget dybere i vores forståelse af de potentielle kilder. "

Derefter, videnskabsmændene kan muligvis se, om noget af denne gammastråleglød stammer fra mørkt stofs selvdestruktion.

DES er et internationalt projekt med over 400 forskere fra 25 institutioner i 7 lande, der er gået sammen om at gennemføre undersøgelsen. Dele af projektet blev finansieret af DOE's Office of Science og National Science Foundation. NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope er et internationalt rumobservatorium med flere agenturer. Analysen brugte Fermi-LAT-data, der blev offentliggjort offentligt af det internationale LAT-samarbejde.