Kaip neutroninės žvaigždės žudo tamsiosios materijos teorijas (Video)

<…>

Dujos, dulkės, ir milijonų milijonai žvaigždžių, šiek tiek pulsarų ir juodoji bedugnė — monstras, masyvesnis už mūsų Saulę kelis milijonus kartų, —maždaug taip atrodo Galaktikos centras. Čia plaka Paukščių Tako širdis, ir apie jau 13,5 milijardų metų sukasi visos žvaigždės ir planetos. Čia gyventojai įsikūrę išties ankštai – optiniais teleskopais ką nors įžiūrėti čia neįmanoma — regimosios spektro dalies šviesa paprasčiausiai negali prasibrauti per šią dujų ir dulkių storymę. Laimei, ilgesnėms – infraraudonosioms ir ilgosioms radijo bangoms – tai nėra neįveikiama kliūtis ir jos papasakojo, kad be dujų, ten įsikūrę seni raudonieji super gigantai, o taip pat keli milijonai po daugelio milijonų metų supernovomis sprogsiančių jaunesnių masyvių žvaigždžių.

2018 metų birželį, prieš pat oficialią Šiaurės Afrikoje sumontuoto radioteleskopo MeerKAT, inauguraciją, įvykusią liepos 13, astronomai trumpai jo „žvilgsnį“ nukreipė į Galaktikos centrą. Taip buvo gauta aiški ir detali Paukščių Tako galaktikos centro nuotrauka, geriausia iš visų jo atvaizdų. Jis primena laužo ar degančios krosnies vaizdą: ugninės gijos visomis kryptimis, keisti apvalūs debesys kairėje atvaizdo pusėje primena iš kamino rūkstančius dūmus. Du milžiniški radioburbulai, vienas besistiebiantis viršun, kitas – žemyn, primena smėlio laikrodį. Centre besislepiantis monstras — supermasyvi juodoji bedugnė Šaulio А*.

Tačiau yra ir dar kai kas. Astronomai mano, kad centre glūdi dar viena paslaptis — kažkokia materija, visiškai nematoma jokiais mūsų prietaisais. Manoma, kad šios neįprastos medžiagos masė penkis kartus viršija mums įprastos, barioninės, iš atomų viską, ką matome – žvaigždes, dujas, planetas, jus, mane ir mano katiną Kvarką – sudarančios materijos masę. Nežinome, kas ši paslaptingoji materija, kurią pirmą kartą savo teorijoje panaudojo fizikas Fritzas Zwicky'is iš Kalifornijos technologijos instituto, pastebėjęs, kad be jos nepavyksta paaiškinti regimą žvaigždžių ir galaktikų judėjimo. Ir mes dabar tai vadiname tiesiog „tamsiąja materija“.

Apie 23﹪ Visatos sudaro tamsioji materija, 72﹪ — ne menkiau paslaptinga tamsioji energija, ir vos mažiau, nei 5﹪ – įprastinė materija. Tik viena problema: kiekvieną kartą, kai mokslininkai mano atradę tamsiosios materijos prigimtį, jie susiduria su vienu ir tuo pačiu senu priešu, išnyrančiu prieš juos ir sutrinančius jų teorijas į miltus. Šis nedraugas — neutroninė žvaigždė.

Dauguma astronomų mano, kad pakanka turimų netiesioginių tamsiosios materijos egzistavimo įrodymų. Jie mato jos gravitacijos pritraukiamas žvaigždes, iškreipiamą šalia jos sklindančią šviesą, ir visa tai sugula į vientisą vaizdą. Tačiau tik tuo atveju, jeigu A. Einšteino Bendroji reliatyvumo teorija (BRT) gravitaciją aprašo teisingai – kaip masyvių objektų savybę iškreipti erdvėlaikį.

Egzistuoja alternatyvios gravitacijos teorijos, kuriomis Visatos sandarą bandoma paaiškinti be tamsiosios materijos ar tamsiosios energijos, tačiau šios teorijos kariauja savo karus su neutroninėmis žvaigždėmis.

Kaip bebūtų, jei BRT teisinga, gravitacijos veikiamos įprastos materijos judėjimo negalime paaiškinti be prielaidos apie tamsiąją materiją. Kaip ir daugelio, regis, tolimų nuo realaus gyvenimo, teorijų atveju, ir ši prasideda nuo Zwicky'io, kuris dar 1933-aisiais pirmą kartą iškėlė neutroninių žvaigždžių ir supernovų ryšio idėją. Maždaug tuomet jis tyrė galaktikas ir galaktikų spiečius, panašius į mūsų — Vietinę grupę, kurioje yra Paukščių Takas, Andromedos galaktika ir daug kitų (nykštukinių) galaktikų. Zwicky'is žinojo, kad galaktikos spiečiuje sukasi apie spiečiaus masės centrą, o taip pat apie savo ašį ir, be to, veikia viena kitą.

Tačiau jis norėjo tuo įsitikinti pats. Jis įkalbėjo Caltech pastatyti plataus apžvalgos lauko, aštuoniolikos colių [457,2 mm] skersmens teleskopą ir nufotografavo Koma (Berenikės Garbanų) galaktikų spiečių, esantį už maždaug 323 milijonų šviesmečių nuo Žemės. Šiame spiečiuje yra daugiau, nei tūkstantis galaktikų. Kiekvienoje Zwicky'io padarytoje nuotraukoje buvo daugiau galaktikų, ir jis susumavo spiečiaus šviečiančią materiją (žvaigždes ir dujas, kurias įžiūrėjo per teleskopą). Taip pat jis suskaičiavo galaktikų judėjimo greitį ir suprato, kad spiečiaus masė daug didesnė už bendrą šviečiančios materijos masę. Rezultatai buvo stulbinami. Galaktikos atrodė judančios pernelyg greitai, ir jei apskaičiuota masė ir greitis teisingi, jos negalėtų būti gravitacija susietos viename spiečiuje. Jei veiktų vien šviečiančios materijos masės gravitacija, Coma galaktikų spiečius turėtų paprasčiausiai išsisklaidyti. O stebimo dydžio gravitacijai sukurti reikėtų keturis šimtus kartų daugiau materijos, ir Zwicky'is šią perteklinę materiją pavadino Dunkle Materie, kas vokiškai reiškia „tamsi materija“. Zwicky'io teorija nelabai stipriai domėtasi iki pat pastarųjų dešimtmečių, tačiau pavadinimas išliko.

Tik aštuntajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje mokslininkai suvokė, kad Zwicky'is iš esmės teisus. Du amerikiečių astronomai, Vera Rubin ir Kentas Fordas, apskaičiavo gretimos Andromedos galaktikos masę, matuodami jos žvaigždžių judėjimo greitį. Kaip ir Zwicky'is Coma spiečiuje, jie aptiko anomaliją. Andromedos galaktika, panaši į Paukščių Taką spiralinė galaktika, turinti tarpžvaigždinėmis dujomis ir žvaigždėmis užpildytą galaktinį centrinį telkinį ir diską. Iki Rubin darbų, astronomai manė, kad žvaigždės sukasi tuo sparčiau, kuo arčiau galaktikos centro, o toliau esančios ir dėl to silpniau traukiamos spiralinės rankovės turėtų judėti. Tačiau Rubin užfiksavo ką kita: galaktikos pakraščiuose žvaigždės apie ją skriejo tokiu pat greičiu, kai ir esančios arčiau Andromedos galaktikos centro. Tai reiškė, kad galaktika turėtų būti užpildyta kažkuo nematomu, kas turi pakankamą trauką, būtiną išlaikyti visą sistemą drauge — paslaptinga „tamsiąja materija“, padedančia įprastai materijai visoje galaktikoje judėti vienodu greičiu.

Vėliau Rubinas ir Fordas atliko analogiškus daugelio kitų galaktikų skaičiavimus ir pademonstravo, kad plokščios sukimosi kreivės būdingos visoms jų nagrinėtoms galaktikoms, ir tuo įtikinamai argumentavo tamsiosios materijos egzistavimą.

Tai buvo lūžis ginče dėl šios nematomos medžiagos. Astronomai dabar mano, kad tamsioji medžiaga sudaro didžiulius sferinius debesis visoje Visatoje, o kiekvieno debesies viduje plūduriuoja viena ar kelios galaktikos, ir visi šie dariniai, primenantys futuristinius miestus danguje, vadinami tamsiosios materijos halu. Vėliau astronomai pamatė dar vieną tamsiosios materijos egzistavimo įrodymą – šviesos išlenkimą kosmose. Šis efektas vadinamas gravitaciniu lęšiavimu. Stebėdami tolimą galaktiką, dažnai matome ją iškreiptą, pavyzdžiui, lanko pavidalu, o kartais vietoj vieno ten privalančio būti objekto, matome kelis jo vaizdus. Taip yra dėl to, kad tarp stebimo objekto ir Žemės gali būti, pavyzdžiui, galaktikų spiečius, kuris veikia kaip milžiniškas gravitacinis lęšis, išlenkiantis šviesos spindulius. Bet susumavus visų šio spiečiaus žvaigždžių mases pagal mūsų registruojamą šviesos kiekį, paaiškėja, kad esant tokiai spiečiaus masei, kreivumas turėtų būti nereikšmingas. Tiesą sakant, tolimųjų galaktikų vaizdas neturėtų būti taip iškreiptas. Kai astronomai kompiuteriu bando imituoti tikrovėje gaunamą iškraipymą, dažnai tarp mūsų ir objekto esančio modeliuojamo spiečiaus masę tenka padidinti devynis kartus, ir tik tada viskas sutampa. Iš to darytina išvada, kad spiečiuje daug daugiau tamsiosios medžiagos nei įprastos.

Nepaisant išleistų milijardų dolerių ir dešimtmečių darbo su įvairiais detektoriais, mokslininkams nepavyko rasti jokių tiesioginių tamsiosios medžiagos egzistavimo įrodymų. Bandymai ją sukurti, sudūrus didelės energijos daleles greitintuvuose, pavyzdžiui, CERN, Didžiajame hadronų greitintuve, lig šiol buvo nesėkmingi.

Vienos iš kelionių į Italiją metu atsidūriau laboratorijoje, paslėptoje giliai po aukščiausiu Apeninų kalnu Gran Sasso, maždaug už valandos kelio nuo Romos. Laboratorijoje man parodė milžinišką, maždaug dešimties metrų skersmens ir vienuolikos metrų aukščio rezervuarą, panašų į didelį aruodą. Tai jautriausias tamsiosios medžiagos detektorius Žemėje – XENON1T. Tačiau nepaisant dešimtmečius trukusių paieškų, juo – kaip ir visais kitais detektoriais – mokslininkai nerado ieškoto signalo.

Tačiau astronomai nepasiduoda. Remdamiesi pastebėtais gravitaciniais efektais, jie teigia, kad didžiausia tamsiosios medžiagos koncentracija aplink galaktikas (arba galaktikų grupę) turėtų būti įvairiausių objektų prisagstytame galaktikos centre. Ši prielaida grindžiama tuo, kad pagal priimtus galaktikų formavimosi modelius, tamsiosios medžiagos halai iš pradžių susiformavo ankstyvojoje Visatoje, kai dėl gravitacijos susidarė tinklelio struktūra, vadinama kosminiu tinklu, su tamsiosios materijos gumuliais mazguose. Šie gumulėliai ir yra tamsiosios medžiagos halai – didžiuliai amerikietiškojo futbolo kamuolių formos debesys, kurių didžiausia tamsiosios medžiagos koncentracija – galaktikų centruose. Todėl mokslininkai mano, kad geriausia vieta ieškoti tamsiosios materijos turėtų būti mūsų galaktikos centras.

Čikagos universiteto astrofizikas Danas Hooperis tai puikiai žino. Jau du dešimtmečius jis visame Paukščių Take medžioja tamsiąją medžiagą, ieškodamas signalų, galinčių įrodyti jos egzistavimą. Hooperis sutelkė dėmesį į mūsų galaktikos centrą, be to, jis tyrinėja galaktikos plokštumą, kurioje yra didžioji dalis mūsų disko formos galaktikos masės. Tačiau kiekvieną kartą, kai jis pamanydavo, išvydęs tam tikrą tamsiosios materijos signalo užuominą, jo viltis žlugdydavo pulsarai: kartais jie kuria panašius į numanomus tamsiosios medžiagos signalus.

 

„Pulsarai yra tam tikri tamsiosios medžiagos antagonistai“, – juokiasi jis. „Kai stebite kažką egzotiško, kas, jūsų manymu, gali būti tamsioji medžiaga, baiminatės, kad iš tikrųjų tai bus pulsarai.“

Pulsarų ir tamsiosios materijos mūšio istorija prasidėjo 1990-ųjų pabaigoje, kai Naujojoje Meksikoje esantis antžeminis detektorius Milagro aptiko itin didelės energijos difuzinę gama spinduliuotę iš visos galaktikos plokštumos. Gama spinduliuotė yra pati energingiausia mums žinoma elektromagnetinės spinduliuotės forma, ir Milagro detektoriumi užregistravo maksimalią apie 3,5 teraelektronvoltų (TeV) energiją, arba, kitaip tariant, 3,5 trilijonų elektronvoltų (eV). 1 eV – energija, kurią elektronas įgyja elektriniame lauke, kai praeina per vieno volto potencialų skirtumą. Palyginimui, senuose kineskopiniuose televizoriuose elektronai buvo pagreitinami maždaug trisdešimčia tūkstančių voltų, o tai reiškia, kad į ekraną jie atsitrenkdavo trisdešimt tūkstančių elektronvoltų energija. O 3,5 TeV energija yra apie šimtą milijonų kartų didesnė, ir tai reiškia, kad elektrono su tokia energija greitis yra daug didesnis nei katodinių spindulių vamzdeliuose, ir beveik pasiekia šviesos greitį.

Tai, kad visa galaktikos plokštuma yra persmelkta gama spinduliuotės, nenustebino. Gama spinduliai susidaro radioaktyvaus atomo branduolių skilimo metu. Žemėje jie susidaro dėl branduolinių sprogimų ir žaibo smūgių. Kosmose jie susidaro, kosminiams spinduliams, dažniausiai didelės energijos protonams, sąveikaujant su tarpžvaigždinėmis dujomis arba kai elektronai kerta žvaigždžių ar galaktikos spinduliuotės laukus. Gama spinduliai kosmose susidaro didelės energijos įvykiuose, tokiuose kaip supernovos sprogimai, ir šalia juodųjų bedugnių bei neutroninių žvaigždžių. Tačiau kai Milagro gama spindulių observatorijos duomenis analizuojantys mokslininkai palygino savo rezultatus su tuo, kiek gama spinduliuotės turėtų susidaryti galaktikos plokštumoje pagal stebimų kosminių spindulių kiekį, jie apstulbo – šios spinduliuotės perteklius yra bent dešimt kartų didesnis nei tikėtasi.

Vėliau, 2006 m., PAMELA ( Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics, „papildoma antimedžiagos ir šviesos branduolinės astrofizikos tyrimų įranga“), kosminiame eksperimente buvo aptiktas dar vienos dalelės perteklius: šį kartą didelės energijos pozitronų – elektronų antidalelių. Mokslininkai mano, kad Didžiojo sprogimo metu susidarė po vienodai materijos ir antimaterijos. Tačiau tada materija kažkaip pradėjo dominuoti, o dabar Visatoje antimaterijos aptinkama labai mažai (nors ją galima sukurti dirbtinai ir net Žemėje). Galaktikos magnetinis laukas šias daleles svaido visomis kryptimis, todėl tiksliai nustatyti šių pozitronų šaltinio ar šaltinių neįmanoma. Tačiau Hooperis žinojo, kad elektronų ir pozitronų poros sklaido žvaigždžių šviesą, suteikdamos jai savo energiją ir paversdamos ją TeV energijos lygio gama spinduliuote. Ar šie du efektai – didelės energijos gama kvantų ir pozitronų perteklius – kaip nors susiję? Ir kas juos kuria?

Kai buvo publikuoti projekto PAMELA duomenys ir pademonstruotas pozitronų perteklius, Hooperis sureagavo nedelsdamas. Pirmoji jo mintis – šių pozitronų pertekliaus šaltinis gali būti ta pati tamsioji medžiaga, kurios jis ieškojo visą savo gyvenimą. Mokslininkai turi daugybę teorijų apie tai, kas galėtų būti tamsioji medžiaga, o viena iš plačiausiai priimtų koncepcijų yra ta, kad tamsioji materija susideda iš WIMP (WIMP, Weakly Interacting Massive Particles, silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės), kurios sąveikauja su silpnai masyviomis dalelėmis. Vienas iš WIMP tipų yra hipotetinis neutralinas, ir Hooper pasiūlė, kad šie neutralinai retkarčiais gali susidurti ir jų sunaikinimo metu susidaryti egzotiškų dalelių srautai, kurie vėliau gali suirti į įprastas elementarias daleles – elektronus ir pozitronus – ir užtikrinti stebimą pozitronų perteklių. Remiantis tokia hipoteze, šie elektronai ir pozitronai, judėdami beveik šviesos greičiu, po to spirale sukasi aplink galaktikos magnetinio lauko jėgos linijas, generuodami vadinamąją sinchrotroninę spinduliuotę (elektromagnetinių bangų spinduliuotę). Šie elektronai taip pat išsklaido žemo dažnio fotonus, sudarančius aplinkinių žvaigždžių šviesą, ir dėl atvirkštinės Komptono sklaidos efekto, šie fotonai virsta didelės energijos gama spinduliais.

Hooperis norėjosi manyti, kad tai yra tamsiosios medžiagos signalas, tačiau jis nebuvo tikras, todėl taip pat svarstė, ir alternatyvią pozitronų pertekliaus priežastį, – jie galėjo atsirasti iš pulsarų. Pagal šį scenarijų, kartu pačiomis neutroninėmis žvaigždėmis besisukantys galingi jų magnetiniai laukai sukuria elektrinius laukus, kurie „atplėšia“ elektronus nuo pulsarų paviršiaus ir juos įgreitina. Patekę į magnetinius laukus, šie didelės energijos elektronai skleidžia didelės energijos gama spindulius, kaip ir tamsiosios medžiagos scenarijuje. O palikę pulsarą ir jo magnetinį lauką, dalis gama kvantų gali spontaniškai virsti elektronų-pozitronų poromis.

Ne mažiau nei Hooperis, ši problema intrigavo ir daugelį kitų fizikų. Per dešimt metų nuo PAMELA duomenų paskelbimo buvo publikuota daugiau nei tūkstantis straipsnių, kuriuose autoriai bandė paaiškinti šią paslaptį. Dauguma laikėsi gama spindulių kilmę iš pulsaro hipotezės, tačiau norint tai įrodyti, reikia įsitikinti, kad šiuos gama spindulius skleidžia pulsarai, o tada nustatyti, kiek elektronų ir pozitronų sukurs tiek didelės energijos gama kvantų, ir ar jais galima paaiškinti pastebėtą perteklių.

2017 m. Hooperis su kolegomis sugalvojo šios problemos sprendimą. Jie prisiminė kitą detektorių, Milagro įpėdinį, HAWC ( High Altitude Water Cherenkov Experiment), esantį netoli Pueblos (Meksika), pastatytą 2015 m. HAWC observatorija stebėjo du gretimus pulsarus – Gemingu ir Monogem žiedą (kai kas jį vadina tiesiog Monogem), esančius mažiau nei už tūkstančio šviesmečių nuo Žemės. Jų santykinis artumas mums svarbus, nes TeV energijos dydžio eilės elektronai negali nukeliauti labai toli nuo šaltinio, nes jie greitai praranda didžiąją dalį energijos mūsų Galaktikos magnetiniuose laukuose, taip pat dėl žvaigždžių šviesos sklaidos.

HAWC aptiko didžiulius halus aplink šiuos du pulsarus, skleidžiančius didelės – teraelektronvoltinės – energijos gama spindulius. Šie gama spinduliai galėjo atsirasti, iš pulsarų skriejantiems didelės energijos elektronams ir pozitronams sąveikaujant su mažos energijos fotonais, kuriuos skleidžia netoliese esančios žvaigždės. Susidūrimų metu elektronai gali perduoti daug energijos fotonams (panašiai kaip golfo lazda perduoda energiją kamuoliui, siųsdama ją į kitą lauko pusę). Mokslininkai išanalizavo HAWC ir duomenis ir apskaičiavo abiejų šaltinių šviesumą. Jie palygino dviejų pulsarų ir jų halų šviesumus ir nustatė, kokia dalis pulsaro energijos paverčiama elektronais ir pozitronais. Paaiškėjo, kad kad ši dalis yra apie 10﹪ – Hooperio teigimu, to praktiškai pakanka paaiškinti pastebėtą pozitronų perteklių. Jis pasakė, kad tai buvo galutinis įrodymas.

Mūsų galaktikoje buvo aptikta apie tris tūkstančius radijo pulsarų, tačiau dauguma jų yra per blankūs arba per toli, todėl HAWC negali jų aptikti kaip atskirų šaltinių. Bet jei darysime prielaidą, kad visų pulsarų kinetinės energijos pavertimo elektronais ir pozitronais efektyvumas vienodas, tada, pridėję visų Paukščių Tako pulsarų indėlį, pamatysime, kad teraelektronvoltų eilės gama spindulių signalai yra beveik lygiai tokio pat intensyvumo ir energijos spektro, kaip ir detektoriais stebimas teraelektronvoltinės gama spinduliuotės perteklius. Beveik visi dabar sutinka, kad pozitronų perteklius greičiausiai atsiranda dėl pulsarų. Alternatyvi, tamsiosios materijos kuriamo, gama spinduliavimo teorija buvo palaidota, pulsarai šį susirėmimą laimėjo.

Hooperis buvo nusivylęs, bet ne prislėgtas. Tyrinėdamas keistus signalus iš galaktikos plokštumos, tamsiosios materijos jis ieškojo visur, daugumą vilčių siedamas su mūsų galaktikos širdimi – galaktikos centru. Prieš kurį laiką, 2003 m., jaunas Princetono postdoktorantas Dougas Finkbeineris peržiūrėjo WMAP kosminio palydovo (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) duomenis. Kaip ir Hooperį, jį žavėjo tamsiosios medžiagos paieškos idėja ir jis tikėjosi, kad WMAP duomenyse aptiks jos pėdsakus. Jis puikiai žinojo, kad WIMP, jei jie egzistuoja, turi karts nuo karto susinaikinti ir kad naikinimo procesą turi lydėti gama spinduliuotės, mikrobangų spinduliuotės ir kitų didelės energijos dalelių kaskados. Netoli Galaktikos centro jis aptiko keistą mikrobangų spinduliuotės perteklių, aiškiai besiskiriantį nuo kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės, nes atrodė, kad ji atkeliauja iš kažkur mūsų galaktikos viduje, tai yra, greičiausiai iš „avanscenos“, o ne iš „užkulisių“, kaip reliktinis. Finkbeinerio pranešimas apie neįprastą mikrobanginę „WMAP miglą“ ir ypač mintis, kad kaltininkas gali būti WIMP, patraukė Hooperio dėmesį.

Vaizdas tapo dar painesnis 2008 m., kai NASA paleistas į kosmosą Fermi gama spindulių teleskopas perdavė pirmąją duomenų partiją. Finkbeineris, dabar profesorius, ir du jo absolventai Tracy Slater ir Meng Su nustatė, kad „mikrobangų migla“ puikiai dera su „gama migla“ aplink Paukščių Tako centrą. Tačiau iš kur atsirado ši migla, buvo didelė paslaptis. Kitaip nei į tam tikrą dangaus sritį nukreipiami ir taškinio šaltinio, pavyzdžiui, žvaigždės ar pulsaro signalą aptinkantys radijo teleskopai, Fermi kosminio teleskopo matymo laukas yra daug platesnis. Vienu metu jis mato apie penktadalį viso dangaus ir pamažu, per tris valandas apžvelgia visą dangų. Tačiau jo gaunamas vaizdas neryškus – teleskopo kampinė skiriamoji geba yra tik 0,1-1 laipsnio daugumai energijų, todėl žvaigždės vaizdas išskysta iki Mėnulio skersmens, ar dar plačiau. Taigi, nors Fermi galėjo nustatyti kryptį, iš kurios atkeliavo fotonai, tiksliai nustatyti, kur atsirado migla, vėliau pavadinta „Fermi migla“, jis negalėjo. Visi mokslininkai buvo tikri, kad tai vyksta netoli galaktikos centro.

Neilgai trukus, 2009 m., Slater, Su ir Finkbeiner pastebėjo, kad migla turi tam tikrą kontūrą. Šis atradimas buvo nuostabus ir netikėtas. Užuot pamatę vieną dėmę neryškiais kraštais, jie išvydo du milžiniškus fantastiškus smėlio laikrodžio formos burbulus, iš viso apie penkiasdešimt tūkstančių šviesmečių, kurių centras yra galaktikos centre ir ryškiausiai šviečiančius gama diapazone. „Fermi migla“ tapo „Fermi burbulais“, o viso pasaulio laikraščiai savo pirmuosiuose puslapiuose patalpino stulbinantį didžiulio kosminio aštuoneto atvaizdą. 2014 m. Slater, Su ir Finkbeiner už savo atradimą gavo Bruno Rossi premiją iš Amerikos astronomijos draugijos Aukštos energijos astrofizikos skyriaus .

Hooperiui burbulai buvo aiškūs, nors ir nuviliantys, įrodymai, kad nei WMAP detektoriaus aptikta mikrobangų spinduliuotė, nei Fermi teleskopo aptikti gama spinduliai negali būti tamsiosios medžiagos požymiai.

„Tamsiosios medžiagos anihiliacija neturėtų sukelti tokių burbulų susidarymo“, – sako jis. Švytėjimo sritis turi būti neryški ir neturėti aiškių ribų.

Lig šiol neaišku, kas išpūtė Fermi burbulus, o kai kurie mokslininkai mano, kad jie galėjo atsirasti kažkada seniai sprogus mūsų supermasyviai juodajai bedugnei (nors dabar Šaulys A * ir elgiasi visiškai ramiai, kitaip, nei aktyvųs kitų galaktikų branduoliai, iš kurių registruojama sklindanti spinduliuotė). Alternatyvi hipotezė – burbulai galėjo atsirasti, beveik vienu metu kaip supernovoms sprogus daugybei milžiniškų žvaigždžių, susidariusių iš juodąją bedugnę supančių dujų.

Tačiau Hooperis buvo atkaklus. Sužinojęs, kad migla negali būti tamsioji materija, jis ir Niujorko universiteto aspirante Lisa Goodenough nusprendė atidžiau pažvelgti į Fermi teleskopo duomenis. Ir tuose duomenyse jie rado paslėptą lobį. Netoli galaktikos centro gama spinduliuotė buvo daug intensyvesnė, nei aprašo teorija. Jos intensyvumas viršijo visų žinomų astrofizikinių šaltinių – ir supermasyvių juodųjų bedugnių, ir su dujų molekulėmis susiduriančių kosminių spindulių protonų, ir kosminių spindulių elektronų, sąveikaujančių su fotonais, ir dujų molekulių, taip pat supernovų liekanų, ir Fermi burbulų – intensyvumą. Gama spinduliuotės perteklius buvo maždaug 10﹪. Be to, stebimos spinduliuotės spektras ir jos pasiskirstymas neatitiko tų charakteristikų, kurios būdingos grynai astrofizikiniams šaltiniams. Hooperis buvo apstulbęs. Ar jis pagaliau rado tamsiosios materijos egzistavimo įrodymus?

Atrodo, kad perteklinės spinduliuotės energijos maksimumas buvo nuo vieno iki trijų milijardų elektronvoltų (1–3 GeV), o tai reiškia, kad ji maždaug milijardą kartų energingesnė nei matoma šviesa. Ryškiausias jis buvo Galaktikos centre, o tolstant nuo centro bet kuria kryptimi, jo ryškumas mažėjo. Tai rodė, kad jo forma beveik sferinė, besitęsianti mažiausiai penkis tūkstančius šviesmečių nuo Galaktikos centro. Hooperis teigė, kad perteklius atsirado dėl WIMPų anihiliavimo ir kartu su Goodenough parašytą straipsnį įdėjo į išankstinio publikavimo serverį arXiv.org (populiari internetinė platforma, kurią sukūrė Kornelio universitetas, kuri leidžia lengvai dalytis moksliniais straipsniais, nes juos galima nemokamai pasiekti prieš pasirodant recenzuojamuose žurnaluose).

Bet panašu, kad į šią publikaciją niekas neatkreipė dėmesio.

Hooperis bandė atkreipti dėmesį į savo rezultatus. Tais pačiais metais jis skaitė pranešimą konferencijoje ir pasakojo apie savo komandos atliktus skaičiavimus. Jis prisimena, kaip entuziastingai kalbėjo apie tai, kad galbūt Galaktikos centre pagaliau rado tamsiosios medžiagos pėdsakus. Tačiau publika grėsmingai tylėjo. Po pristatymo vienas dalyvis kreipėsi į Hooperį ir pavadino jį neprofesionalu, kuris tiesiog nemoka tinkamai interpretuoti Fermi teleskopu gautų duomenų. Panaši reakcija jo laukė ir kitose konferencijose, ypač iš Fermi bendruomenės narių, pagrindinių teleskopu gautų duomenų vartotojų. Jiems Hooperis buvo pašalinis asmuo, aiškinantis rezultatus, kuriuos jie, Fermi komanda, paskelbė viešai. „Jie su manimi kalbėjo labai įžūliai“, – atsidūsta jis.

Po kelių mėnesių, kai buvo paskelbta kita Fermi teleskopu gautų duomenų dalis, Hooperis ir Goodenough buvo įsitikinę, kad nepaaiškinamas radiacijos šaltinis tebėra savo vietoje. „Sulaukėme daug kritikos, stengėmės tobulinti duomenų analizę, naudojome sudėtingesnę programą, skirtą su prietaisų veikimu susijusioms pataisoms atlikti, didinti šio dangaus ruožo taškinių šaltinių ir fono apdorojimo tikslumą. Ir po šio apdorojimo pamatėme tą patį signalą – jis niekur nedingo“, – sako Hooperis. 2010 m. jie paskelbė antrąjį straipsnį. Tačiau ir šį kartą tik nedaugelis atkreipė į ją dėmesį.

Tačiau Hooperiui šis straipsnis tapo lūžio tašku, nes įsitikino, kad signalas nebuvo fantominis. Jis nebuvo įsitikinęs, kad signalo randasi, anihiliuojant tamsiajai materijai, bet neabejojo, kad signalas realus. 2010 m. rugsėjį Hooperį aplankė jaunas UC Santa Cruz aspirantas Timas Lindenas, kuris dalyvavo viename iš pirmųjų Hooperio pasirodymų. Dabar Lindenas dirba Ohajo valstijos universitete ir, kalbėdamas su manimi, prisimena priešiškumą, su kuriuo susidūrė Hooperis: „Pasakyti, kad Fermi bendruomenė nežiūrėjo į Daną rimtai, yra per maža. Buvo žmonių, kurie daugelį metų jo analizės metodą vertino labai atsainiai. O man jo analizė visada atrodė teisinga.„Ar įmanoma, kad buvo koks nors kitas šaltinis, galintis paaiškinti gama spindulius?“Taip, manau, kad tai visada įmanoma. Tai įmanoma ir dabar“, – sako Lindenas. Tačiau jį suintrigavo Hooperio hipotezė, ir jis buvo įsitikinęs, kad šis apčiuopė kažką svarbaus.

2011 m. spalį Lindenas ir Hooperis publikavo straipsnį, kuriame aprašė, kaip jie gavo tokį patį perteklinės gama spinduliuotės kiekį, naudodami kitokį jos matavimo metodą, ir sudarė dangaus vaizdalapį gama diapazone. Kitos mokslininkų grupės galiausiai taip pat atkreipė dėmesį į šią problemą ir taip pat nustatė pernelyg didelį gama spindulių intensyvumą. Nepaisant to, Fermi bendruomenės narius vis dar buvo sunku įtikinti, o daugelis kitų astrofizikų manė, kad radiacijos perteklius negali būti laikomas tikru. Ir Hooper suprato, kad laikas parašyti lemtingą straipsnį apie šį radiacijos perteklių – ir įrodyti savo argumentus arba palaidoti idėją.

Todėl 2012 m. Hooperis nusprendė susisiekti su kai kuriais savo kolegomis gama spindulių analizės srityje, įskaitant Finkbeinerį ir Slater. Tada Slater buvo Princetono, Naujojo Džersio valstijos, Pažangiųjų studijų instituto postdoktorantas ir tebetyrinėjo burbulų kilmę. Vieną tų pačių metų vasaros popietę jie susidūrė su Hooperiu konferencijoje Aspene, Kolorado valstijoje, ir pradėjo kalbėti apie tai, kas vyksta su burbulais arčiau galaktikos centro. Iki tol mažai kas manė, kad burbulai gali būti tamsiosios materijos pasireiškimas, tačiau teiginiai apie burbulų spinduliuotės panašumą mikrobangų ir gama diapazone buvo pagrįsti toli nuo galaktikos plokštumos esančios gama spinduliuotės palyginimu su mikrobangine Galaktikos centro apylinkių spinduliuote. Kadangi buvo lyginami nelygintini dydžiai, Hooperis, kalbėdamas su Slater, pasiūlė idėją, kad burbulų vidus visgi gali būti siejamas su tamsiąja medžiaga.

„Svarstėme, ar arčiausiai galaktikos centro esanti burbulų dalis gali būti“ištepta„gama spinduliuotės pertekliumi iš galaktikos centro – pertekliumi, kuris, mano nuomone, gali būti dėl tamsiosios medžiagos“, – sako Hooperis.

Slater susidomėjo. Ji žinojo apie gama spinduliuotės perteklių ir sutiko tyrinėti burbulus, prisijungdama prie Hooperio tyrimų ir sutelkdama dėmesį į galaktikos centrą. Per ateinančius dvejus metus kartu su Hooperiu publikavo du plačius straipsnius, o be to, antrąjį, – kuriam parašyti prireikė pusės metų ir kuris buvo trisdešimties lapų, – bendrai su Linden ir Finkbeiner. Jie viską patikrino ir perpatikrino, skrupulingai atsakinėdami į kiekvieno potencialaus oponento klausimus. „Tai savotiškas monumentalus straipsnis, prie jo dirbome visą darbo dieną, net šešis mėnesius“, – prisimena Lindenas.

Kad ir kokius modelius jie naudojo, kaip apdorojo duomenis, gama spinduliuotės perteklius neišnyko. Autoriai sąmoningai svarstė skirtingas Galaktikos dalis nepriklausomai viena nuo kitos, ir kiekvienas spręsdamas savo problemos dalį, siekdami išvengti bet kokios įtakos iš kitų. „Dirbau su problemos dalimi, kuri buvo susijusi su galaktikos centro analize, ir visiškai nežinojau, kokias išvadas daro kolegos, užsiimantys kita Galaktikos dalimi. O Tracey ir jos grupė, priešingai, analizavo kitą Galaktikos dalį ir nežinojo, mano rezultatų. Ir tada mes iš to padarėme bendrą vaizdą“, – sako Linden. Jie nustatė, kad gama spinduliuotės perteklius buvo pastebėtas net gana dideliu, kelių tūkstančių šviesmečių, atstumu nuo Galaktikos centro. „Niekas anksčiau nesuprato, kad perteklinė spinduliuotė neapsiriboja Galaktikos centru, bet randama toli nuo jo, kitose galaktikos dalyse“, – sako Slater. Tai buvo ypač įdomu, nes iš karto pašalino įtarimą, kad gali švytėti sritis aplink juodąją bedugnę, kur ši susiurbia aplinkinę medžiagą.

 

„Kai paaiškėjo, kad ši spinduliuotė ateina iš regionų, nutolusių nuo juodosios bedugnės tūkstančius šviesmečių“, – sako ji.

Jų darbe taip pat parodyta, kad gama spindulių „debesis“ yra maždaug sferiškai simetriškas, su centru galaktikos centre, ir kad jo energijos spektras visur atrodo lygiai toks pat, net ir toliau nuo galaktikos centro. Kai bendraautoriai pradėjo derinti savo rezultatus, jie suprato, kad tikriausiai susiduria su daugybe šaltinių, susidariusių arba iš tamsiosios medžiagos, arba iš kažko kito, nes šie šaltiniai yra daugmaž simetriškai pasiskirstę aplink Galaktikos centrą.

Straipsnis arXiv.org serveryje pasirodė 2014 metų vasarį. Jis pavadintas „Paukščių Tako centrinės dalies gama spinduliavimo signalo charakteristikos: galimo tamsiosios materijos anihiliacijos vaidmens patikrinimas“ ir, pasak Lindeno, iškart sukėlė daug atgarsių spaudoje. (Galų gale šį straipsnį publikavo ir žurnale, bet tik po dviejų metų, 2016 m. birželį.) Tai buvo pirmasis straipsnis apie paslaptingą švytėjimą, kurį žurnalistai kasdien aptarinėjo keletą savaičių. Fermi bendruomenė nebegalėjo ignoruoti nepaaiškinamo gama spinduliuotės pertekliaus, ir net NASA savo tinklalapio pagrindiniame puslapyje paskelbė pranešimą spaudai, kuriame pripažįsta, kad perteklius egzistuoja. „Pranešimas spaudai išbuvo ten tik dvidešimt minučių, kol buvo pakeistas kažkokiu kitu pranešimu, bet man pavyko nusiųsti nuorodą mamai“, – juokiasi Linden. Šis straipsnis paskatino daug kitų straipsnių, o per ateinančius tris mėnesius jis buvo cituojamas daugiau nei šimtą penkiasdešimt kartų. Po metų šia tema straipsnį paskelbė Fermi bendruomenė. Galiausiai dėmesys nukrypo nuo diskusijos, ar apskritai yra gama spinduliuotės perteklius, į klausimą, kas galėtų būti jos šaltinis.

Kai kurie mokslininkai palaikė Hooperį ir jo tamsiosios materijos teoriją. Bet ne visi. Ir tada vėl smogė pulsarai, nes daugelis mokslininkų pirmenybę teikė labiau pažįstamam švytėjimo atsiradimo paaiškinimui iš pulsarų, ir tokią galimybę mokslininkai (įskaitant ir Hooperį) išsakė dar 2010 m.

Paukščių Tako centre esančios žvaigždės įprastai yra daug senesnės nei jos pakraščiuose. Seniausioms mūsų galaktikos žvaigždėms yra apie 13,5 milijardo metų, todėl centre esančios masyvios žvaigždės jau seniai turėjo sprogti supernovomis, pagimdžiusiomis daug neutroninių žvaigždžių. Kadangi Galaktikos centre žvaigždės susigrūdusios neįtikėtinai ankštai, šios neutroninės žvaigždės galėjo suformuoti dvinares sistemas, kuriose tam tikru momentu viena žvaigždė pradeda pumpuoti savo kompanionės medžiagą ir todėl labai greitai suktis . Jos pavirstų į senus besisukančius milisekundinius pulsarus, skleidžiančius gama spindulius ir galbūt radijo bangas. Remdamiesi žinomų milisekundinių pulsarų gama spinduliavimo stebėjimais, mokslininkai apskaičiavo, kad stebimas perteklius gali atsirasti, jei galaktikos centre susikauptų keli tūkstančiai pulsarų. Jeigu pulsarai – taškiniai šaltiniai – susijungtų į spiečių, jų spektras būtų labai panašus į WIMP anihiliacijos spinduliuotės spektrą. Tačiau kai Lindenas ir Hooperis peržiūrėjo žinomų šio regiono gama pulsarų katalogus, nė vieno jų nerado. „Kiek tikėtina, – klausia Hooperis, – kad tūkstančiai pulsarų slepiasi mūsų galaktikos širdyje be mūsų žinios? Kodėl mes jų nematome?“

Dalis atsakymo į Hooperio klausimą gali būti susijusi su technologijomis. Jei paimsime ryškiausius kada nors atrastus milisekundinius pulsarus, ir padėsime juos į galaktikos centrą, juos aptikti vis tiek bus sunku. Nėra taip, kad astronomai nesistengė to padaryti – jie dar ir kaip stengėsi. „Esame arti to, kad juos surastume“, – sako Slater. Vienas jautriausių teleskopų, ieškančių milisekundžių pulsarų šiame regione, buvo GBT (Green Bank Telescope) Vakarų Virdžinijoje, bent jau tol, kol pradėjo veikti. MeerKAT teleskopas ir nufotografavo galaktikos centrą. Būtent ši observatorija gali padėti pagaliau išspręsti ilgas diskusijas apie perteklinės gama spinduliuotės šaltinį galaktikos centre, kas tai – pulsarai ar tamsioji materija.

republic.ru