Galaktični sij, mislil, da je temna snov, zdaj namiguje na skrite pulsare


Leta 2009 sta Dan Hooper in njegovi kolegi našli sence, ki prihajajo iz središča naše galaksije, ki jih nihče ni nikoli opazil. Po analizi javno dostopnih podatkov s vesoljskega teleskopa Fermi Gamma Ray se je satelit, ki se je začel leto prej, zaključil, da je središče Mlečne poti izžarevalo več gama žarkov, kot bi lahko prispevali astrofiziki.

Avtor Quanta Magazine


 fotografija

O podjetju

Prvotna zgodba, ki jo je ponovno prejel z dovoljenjem revije Quanta, uredniško neodvisne publikacije fundacije Simons, katere poslanstvo je izboljšati razumevanje znanosti s strani javnosti s pomočjo raziskav o razvoju raziskav in trendov v matematiki ter fizikalnih in življenjskih znanjih [19659006] Ugotovitev je bila tako nepričakovana, da je v tistem času malo verjela, da je resnična. Ni pomagalo, da je Hooper ni bil član Fermijevega sodelovanja, temveč je bil zunanji sodelavec, ki je izbral podatke, ki jih je objavila ekipa Fermi. Eden od znanstvenikov, ki je delal na Fermiju, je svoje delo »amaterski« imenoval, ko je trdil, da Hooper preprosto ni vedel, kako pravilno razlagati podatke. Čeprav se je čas, ko so se zgodili, astrofiziki začeli zavedati, da je veliko več energije sevanja skozi galaksijo, kot bi lahko razložili. Le leto pred Hooperjem je začel analizirati podatke Fermi, detektor gama-zraka v Novi Mehiki, imenovani Milagro, je našel številne superenergetske gama žarke, ki so se pojavili po vsem galaktičnem ravnini. V letu 2014 je Alpha Magnetic Spectrometer, eksperiment na Mednarodni vesoljski postaji, našel več antimaterije, ki se je pretakalo skozi galaksijo, kot bi jo lahko upoštevali, kar potrjuje predhodne opazke s satelitskimi in balonskimi eksperimenti.

Dan Hooper, fizik na univerzi iz Chicaga in Fermilaba, odkriti dokazi dodatnih gama žarkov, ki prihajajo iz galaktičnega centra.

Fermilab

Te tri anomalije – če so resnične – pokazale, da se nekaj dogaja v vesolju, Ne vem. Številni astrofiziki, vključno z Hooperjem, so začeli trditi, da sta bila dva od teh skrivnostnih signalov astrofizični odmev temne snovi, globoko skrivnostna snov, ki je mislila, da predstavlja približno četrtino vesolja.

Letos, skoraj desetletje po Raziskovalci so z začetkom fermijevega teleskopa skoraj dosegli soglasje. Prvič, skoraj vsi astrofiziki se zdaj strinjajo, da središče naše Mlečne poti proizvaja veliko več gama žarkov, kot kažejo naši modeli znanih izvorov gama-žarkov, je dejal Luigi Tibaldo, astrofizičar na univerzi Stanford in član Fermijevega sodelovanja, s čimer je potrdil Hooperjevo nekoč "amaterski" zahtevki.

Drugič, vse to dodatno sevanje verjetno ni posledica temne snovi. Številne nedavne študije so prepričale mnoge raziskovalce, da lahko pulsari, ki hitro vrtijo nevtronske zvezde, razložijo vse tri skrivnosti.

Edini problem je, da se nihče ne zdi sposoben najti.

Dark Dark Days

Središče galaksije je prepuščeno mesto, gosto z zvezdami, prahom in domnevno temno materijo. Astrofiziki že dolgo verjamejo, da je temna snov verjetno narejena iz delcev, ki ne zlahka interagirajo z navadnimi snovmi, tako imenovanimi "močno delujočimi delci" ali WIMP-ji. Občasno se ti WIMP lahko medsebojno srečujejo. Ko bodo to storili, bi lahko proizvedli gama žarke. Morda se ravno to dogaja v galaktičnem središču, ki ga je leta 2009 predlagal Hooper.

Teorija je povezala z drugo idejo, ki jo je Hooper predstavil le leto prej. Leta 2008 je s tremi soavtorji objavil članek, v katerem trdi, da so trčenja nevtralizina – vrsta WIMP-generiranih pršic eksotičnih delcev, ki so nato razpadli v elementarne delce. Proces bi razložil anomalalno visoke ravni pozitronov (antimatter nasprotnika elektrona), ki jih je predhodno odkril vesoljski eksperiment, imenovan Pamela.

V tem primeru je bil Hooper v dobri družbi. Od prvih rezultatov Pamele, "brez pretiravanja", je okoli 1000 dokumentov poskušalo razložiti presežne skrivnosti pozitrona, je dejal Tim Linden, astrofizičar na Ohio State University. Večina teh dokumentov je podprla interpretacijo temne snovi. V letu 2014 so bili rezultati Pamele podprti s podatki iz AMS.

Alpha magnetni spektrometer, viden tukaj v ospredju Mednarodne vesoljske postaje, bi lahko sčasoma rešil razpravo o temi proti vsemu pulsarju

Toda drugi znanstveniki so hitro začeli lomiti luknje v obeh temačnih temah. V primeru galaktičnega centra, trčenja WIMP bi morale ustvariti gladek, megleno sijaj gama žarkov, kot je reflektor, ki ga vidimo skozi debelo meglo. Ko so astrofiziki podrobno preučili sevanje gama-žarkov, so odkrili točkilistično lisico svetlobe. Izkazalo se je, da gama žarki prihajajo iz številnih posameznih točkovnih virov.

In če bi WIMP proizvajali vse te pozitrone, bi morali ustvariti tudi veliko gama žarkov. Toda, ko astronomi pazijo na bližnje galaksije, ki so domnevno ogromne količine temne snovi, se gama žarki ne pojavijo.

Napetost v teh tematskih modelih je prisilila astrofizike, da razmisli bolj astrofizično prozaično Možnosti.

Rise of Pulsars

Čeprav je večina znanstvenikov precej prepričana, da obstaja temna snov (četudi tega ne moremo neposredno opazovati), modeli še vedno veljajo za eksotične. Kar veliko manj eksotični so astrofizični viri sevanja, ki jih lahko dejansko zaznamo z našimi teleskopi. Torej, ko so podatki začeli oslabiti primer za temno snov, so mnogi raziskovalci, med njimi tudi Hooper, začeli razmišljati o mnogo bolj običajni razlagi: pulsari.

Tracy Slatyer, fizik v MIT, je ugotovil, da lahko pulsari pojasnijo gama žarek sijaj, ki prihaja iz galaktičnega centra.

Katherine Taylor / Quanta Magazine

Pulsari so ultra-gosti, hitro vrtljivi predmeti-nevtronske zvezde, mrtva jedra masivnih zvezd, ki so odšle supernove. Izhajajo iz curka sevanja, ki se vrtijo okoli pulsarja, kot je žarek svetilnika. Ker ta žarek prečka Zemljo, naši teleskopi zaznavajo energijo.

Leta 2015 sta dve skupini, ki jo vodi Christoph Weniger, astrofizičar na Univerzi v Amsterdamu, drugi pa Tracy Slatyer, teoretični fizik v Massachusettsu Inštitut za tehnologijo – ločeno predstavil dokaze, ki so teoriji pulsarja dali velik zagon. Vsaka ekipa je uporabila nekoliko drugačne metode, vendar sta v bistvu oba delili območje neba, ki je zajelo galaktični center, v številne piksle. Nato so šteli število nihanj v vsakem opazovanju slikovnih pik, v bistvu za svetilnike, ki so se vrtele po površini Zemlje. Raziskovalci so odkrili velike razlike med pik-vročimi in hladnimi obliži na nebu, ki jih je veliko lažje pojasniti, če predpostavimo, da signal prihaja iz različnih točkovnih virov. "To je tisto, kar bi pričakovali od pulsarjev, ker bi lahko bili na nekaterih lokacijah neba v primerjavi z drugimi bolj svetlejši pulsari ali več pulsarjev", je dejal Linden.

Večina astrofizikov zdaj meni, da lahko čudno obilo pozitronov v galaksiji tudi zaradi pulsarjev. Pulsari ustvarjajo ogromna magnetna polja, ki se vrtijo skupaj z ostalim predmetom. Magnetno polje, ki se vrti, bo ustvarilo električno polje in to električno polje potegne elektrone s površine pulsarja in jih hitro pospešuje. Ker se elektroni krivijo skozi magnetna polja, bodo elektroni oddajajo visokoenergetske gama žarke. Nekaj ​​tega sevanja je dovolj energično, da se spontano navali v parov elektronov in pozitronov, ki se nato izognejo močnemu magnetnemu grajenju pulsarja.

V tem procesu je veliko korakov in veliko negotovosti. Natančneje, raziskovalci želijo vedeti, koliko energije pulsarja gre v izdelavo teh elektron-pozitronskih parov. Je del odstotne točke? Ali pomemben skupek, približno 20 ali celo 40 odstotkov energije pulsarja? Če bi slednji lahko pulsari naredili dovolj pozitronov, da bi razložili presežek antimaterije.

Raziskovalci so morali najti način za merjenje števila elektronov in pozitronov, ki prihajajo iz pulsarjev. Na žalost je to izredno težka naloga. Elektroni in pozitroni, ki se napolnijo z delci, se bodo zankali in utirali po galaksiji. Če odkrijete eno od Zemlje, je težko vedeti, od kod je prišel.

Observatorij gama-žarkov visoke nadmorske vode Cherenkov (HAWC) zazna visokoenergijske gama žarke in kozmične žarke

Gamma žarki na drugače, držite naravnost pot. S tem v mislih so raziskovalci, ki so sodelovali z observatorijem za gama-žare v visoki nadmorski višini v Mehiki, pred kratkim opravili podrobne študije dveh relativno svetlih in relativno bližnjih pulsarjev, Geminga in Monogem. Preučevali niso samo gama žarke, ki prihajajo iz samega pulsarja, temveč tudi superenergetske gama žarke (1000-krat bolj energično od presežka, ki poteka iz galaktičnega centra), ki so se pojavili kot relativno široki halo okoli pulzarjev. Skozi ta halo so visokonergijski elektroni, ki prihajajo iz pulza, trčili z nizkoenergetskimi fotoni iz zvezdne svetlobe. Trije trki so prenašali ogromne količine energije v pokončne fotone, kot je kladivo, ki je v orbito uničil kroglice za golf.

V začetku tega leta je ekipa, ki je vključevala Hooper in Linden, objavila študijo, ki je primerjala svetlost pulsarjev s svetlostjo njihovih halos. Ugotovili so, da je bilo treba od 8 do 27 odstotkov energije Geminge pretvoriti v elektrone in pozitrone, je dejal Linden. Za Monogem je bil dvakrat toliko. "To pomeni, da pulsari proizvajajo ogromno populacijo elektronov in pozitronov v naši galaksiji," je dejal Linden.

Slatyer je dejal, da je raziskava "prvič, ko smo dejansko imeli kakršen koli ročaj na spektru visokoenergetskih pozitronov, ki jih proizvajajo pulsarji, zato je to velik korak naprej. «

Delo prav tako pomaga razložiti čuden presežek zelo visokih energij gama žarkov, ki ju je pred desetimi leti odkril detektor Milagro v New Mexico. Sevanje bi lahko izhajalo iz pulsarnih elektronov in pozitronov, ki pospešujejo zvezdno svetlobo okolja.

Maščoba teme

Ostanki ostajajo: našli dovolj pulsarjev, da bi upoštevali vse skrivnostne emisije. "Morali bi videti približno 50 [bright] pulsarjev v galaktičnem središču za proizvodnjo presežka," je dejal Linden. "Namesto tega smo našli samo peščico." Podobno še vemo, da v preostalem delu galaksije še ni dovolj pulsarjev, da bi razložili presežek pozitrona ali obilo ultra-visoko energijskih gama žarkov, ki sta jih našli Milagro in HAWC

Vprašanje se ne strinja s pulsarjem, čeprav veliko. Upajo, da bo v bližnji prihodnosti nova generacija radijskih teleskopov, kot sta MeerKAT v Južni Afriki in načrtovani naslednik, Kvadratni kilometrski array v Južni Afriki in Avstraliji, našli najdaljše nevidne radijske vire v naši galaksiji

Torej je poravnana razprava o črni materiji? Za pozitrone se zdi, da je tako. Medtem ko so mnogi raziskovalci v preteklosti navdušili nad interpretacijo temne snovi, se večina zdaj nagiba k pulsarjem.

In v galaktičnem središču so pulsari "Occamov britanski kandidat", je dejal Slatyer. "Podatke lahko prav tako razložite s scenarijem izničenja temne snovi, vendar smo vedeli, da so tam pulsarji in ne vemo, ali se temna snov izniči, zato bi lahko razmislili o enostavnejšem scenariju pulsarja."

Po Slatyerjevi razlagi tematske vsebine za galaktični center bi se še lahko vrnila, in res obstaja še en način za preizkušanje hipoteze o temi. Ko kozmični žarki interagirajo z medzvezdnim materialom in v teoriji med anomilacijami v temi snovi, proizvajajo antiprotone, antipartikalni dvojčkov protona. Pulsari ne morejo proizvajati antiprotonov. Če bi raziskovalci našli več antiprotonov, kot bi jih lahko kozmični žarki pripisali, bi odkritje povečalo scenarij temne snovi. To je točno tisto, kar so pokazali predhodni rezultati AMS: možen presežek antiprotonov, ki je lahko skladen z uničujočimi delci temne snovi. AMS znanstveniki ne izdelajo nobenih sklepov o viru antiprotonov, vendar so letos izšli dve temi, ki so pokazali, da bi lahko bila temna snov za antiprotonskim presežkom.

Za Linden bi potrditev pulsarja pomenila še več. Že desetletja je dejal, ko smo razmišljali o energiji kozmičnih žarkov v našem vesolju, smo vedno razmišljali o supernovah, ki proizvajajo protone, ki nato ustvarjajo vse kozmične žarke, ki jih zaznamo. "Imeli smo to res lepo sliko, kjer supernovas proizvaja vse," je dejala Linden. "Vse se združi in izgleda kot nalašč."

Ampak pri postavljanju tega modela se energetika iz pulsarjev na splošno zanemarja, kljub temu, da je pulsar med najbolj energetskimi objekti v vesolju. "Torej, če ta nova slika ostane in pulsari povzročajo te ekscese, potem resnično spremeni našo interpretacijo vira večine zelo energičnega sevanja v galaksijah in morda celo vesolju", je dejal Linden.

primer Pulsars: 3, temna snov: 0, vsaj za zdaj. "Ampak jaz bi lagal, če bi rekel, da ne želim, da bi ti signali postali temna snov", je rekla Linden. "To bi bilo tako, veliko bolj razburljivo".

Prvotna zgodba je bila ponatisnjena z dovoljenjem Quanta Magazine, uredniško neodvisne publikacije Fundacije Simons, katere poslanstvo je izboljšati razumevanje znanosti s področja javnega obveščanja tako, da pokriva razvoj in trende na področju raziskav v matematiki in fizikalnih znanostih in življenju.