Астрономи не знайшли слідів анігіляції темної матерії після 413 тижнів спостережень
Американські вчені досліджували гамма-випромінювання 495 галактик з каталогів T15 і T17, яке телескоп Фермі реєстрував протягом восьми років. Вчені знову не знайшли слідів анігіляції частинок темної матерії, але встановили обмеження на перетин процесу і перевірили результати попередньої роботи, в якій розглядалися тільки карликові сфероїдальні галактики. Стаття опублікована в, одночасно більш детальна версія роботи вийшла в.
Існування темної матерії підтверджується безліччю даних про гравітаційне лінзування і вимірювання кривих обертання галактик, проте «живцем» її ніхто ніколи не бачив. Вчені намагаються зловити її за допомогою величезних детекторів, які здатні засікти ледь вловиме зіткнення частинок звичайної і темної матерії, стежать за «невидимими» розпадами частинок, шукають на колайдерах сліди гіпотетичних темних фотонів - проте досі ніяких слідів темної матерії зареєстровано не було. Точніше, всі ці експерименти дозволили встановити дуже сильні обмеження на перетин різних процесів, що передбачають перетворення частинок темної матерії на частинки Стандартної моделі. Наприклад, обмеження на перетин розсіювання частинок з масами від одного до тисячі гігаелектронвольт на нуклонах становить близько 10 − 45 квадратних сантиметрів. Ці невдачі змушують експериментаторів все сильніше підвищувати точність детекторів і розробляти альтернативні способи пошуку темної матерії, а деякі теоретики намагаються пояснити відсутність результатів новою силою, яка відштовхує темну матерію від Землі.
Зокрема, деякі теорії припускають, що частинки темної матерії повинні анігілювати і народжувати звичайні фотони, які можна зловити за допомогою детекторів. Самі по собі такі процеси можуть відбуватися дуже рідко, але в галактичних гало частинок темної матерії має бути багато, і анігіляція стане помітною. У результаті галактики випромінюватимуть у гамма-діапазоні, і цей сигнал можна відокремити від випромінювання, що виникає в інших астрофізичних процесах, а потім зареєструвати за допомогою сучасних телескопів.
Група вчених під керівництвом Бенджаміна Сафді (Benjamin Safdi) використовувала цей гіпотетичний процес для пошуку темної матерії. Для цього вони розрахували на підставі існуючих теоретичних моделей потік фотонів, що народжуються при анігіляції частинок темної матерії - в основному він визначається перерізом процесу і масою частинок, а також розподілом матерії всередині гало. Потім дослідники порівняли розрахований потік з експериментальними даними, зібраними телескопом Фермі (Fermi Gamma-ray Space Telescope) за період з серпня 2008 по липень 2016 року. Протягом усього цього періоду телескоп реєстрував гамма-випромінювання в діапазоні енергій від 502 мегаелектронвольт до 251 гігаелектронвольту.
Спочатку вчені відібрали близько тисячі галактик з каталогів T15 і T17 (червоне зміщення ≲ 0,03, маса гало не менше 1012 мас Сонця), але близько половини з них виявилися непридатними для подальшого аналізу. Так, 276 галактик розташовувалися на невеликій відстані від галактичної площини, і надійному розпізнаванню заважало випромінювання Чумацького Шляху. Ще 134 галактики знаходилися занадто близько один до одного - вчені вважали, що сигнал можна приписати певній галактиці тільки в тому випадку, якщо в діапазоні двох градусів від неї немає інших масивних об'єктів. Нарешті, дослідники відкинули ще 95 галактик, оскільки перерізи, розраховані на підставі їх даних, занадто сильно відхилялися від середнього - більш ніж на дев'ять порядків для кожного значення маси частинок темної матерії. Швидше за все, в цих випадках джерелом фотонів виступала не анігіляція темної матерії, а інші астрофізичні процеси.
В результаті дослідники отримали обмеження на перетин аннігіляції гіпотетичних частинок з масами від десяти до десяти тисяч гігаелектронвольт. Оскільки залишковий потік гамма-випромінювання виявився невеликим, обмеження вийшло дуже сильним. Так, перетин аннігіляції частинок з масою близько ста гіагаелектронвольт не перевищує 10 − 25 сантиметрів кубічних на секунду.
Раніше вчені вже досліджували за допомогою телескопа Фермі анігіляцію темної матерії, що утворює гало, які оточують карликові сфероїдальні галактики. Такі галактики містять велику кількість темної матерії (багато більше, ніж маса зірок, що входять до їх складу), а тому розраховані за їх допомогою обмеження на перетин анігіляції частинок темної матерії трохи точніше, ніж результати нової роботи. З іншого боку, дані вимірювань карликових галактик схильні до великих систематичних помилок, а нова робота перевіряє цей результат незалежним способом.
Наприкінці листопада минулого року китайська космічна обсерваторія DAMPE з гарною роздільною здатністю і низьким рівнем шуму виміряла енергетичний спектр космічних електронів і позитронів. Це дозволило підтвердити «провал» на енергіях більше одного тераелектронвольта і намацати різкий «сплеск» на енергії близько 1,4 тераелектронвольт, який може вказувати на анігіляцію або зіткнення частинок темної матерії. З іншого боку, цей сплеск може виявитися всього лише статистичною флуктуацією - поки що DAMPE ще не встиг зібрати достатньо даних, щоб виключити таку можливість.