Наприкінці листопада в журналі Nature вийшла стаття з першими результатами обсерваторії DAMPE, новітнього орбітального детектора космічних променів. Того ж дня в архіві препринтів вийшло аж п'ять (!) теоретичних статей, що пропонують пояснення тим несподіваним особливостям, які проступали в нових даних. Щільний потік теоретичних робіт йшов ще кілька днів, після чого кілька вичерпався. Зараз, після трьох тижнів, саме час перевести дух і зрозуміти, що обіцяють нові результати.
Спектри космічних прибульців
Космічні промені - це протони, електрони та інші частинки, які прилітають до нас з далекого космосу, з-за меж Сонячної системи або навіть з інших галактик. Ці частинки розганяються космічними «прискорювачами» до великих енергій (приклад того, як це відбувається, розібраний в завданні Степенна залежність з нічого). А це означає, що вони можуть розповісти нам про те, які умови існують і які процеси протікають в батьківському астрофізичному об'єкті. Загалом, космічні промені - це шикарний додатковий інструмент, за допомогою якого ми можемо вивчати Всесвіт.
Проблема лише в тому, що, на відміну від звичайної оптичної астрономії, ми не ті об'єкти, які виробляють космічні промені. Ми лише їх присутність. Так виходить тому, що заряджені частинки летять крізь Всесвіт не по прямій, а петляють в хаотичних магнітних полях як всередині галактики, так і в міжгалактичному просторі (полюбуйтеся на малюнок 2 в цій новині). Коли космічні промені досягають Землі, вони прилітають абсолютно з довільного напрямку, а зовсім не вказують на джерело. Немов у «космічному тумані», ми реєструємо космічні промені, але не знаємо, хто і де їх породив.
Але чи можемо ми тоді взагалі щось дізнатися про об'єкти, що породили їх? Ситуація не настільки безнадійна, як може здатися спочатку. Нам для вимірювання доступний дуже широкий діапазон енергій космічних променів. Зазвичай його представляють у вигляді спектра - графіка залежності потоку частинок від їх енергій. Астрофізичні моделювання пророкують, що типовий спектр космічних променів має ступеневий вигляд: потік зменшується зі зростанням енергії за степеневим законом з дробовим показником (знову рекомендуємо погортати завдання Степенна залежність з нічого). Однак для кожного механізму розгону ця ступенева залежність має межу по енергії - і за ним спектр обривається, різко йде вниз. Тому якщо ми виявимо спектральний злам вниз, це стане сигналом, що ми намацали енергетичний кордон, до якого «добиває» якийсь цілком певний космічний механізм прискорення частинок. Потім, зіставляючи спостереження з чисельним моделюванням, теоретики з'ясовують, які астрофізичні об'єкти породили цей потік частинок. Загалом, спектральні лами - це «наше все».
Крім зломів, астрофізики полюють за ще більш цікавими особливостями спектру - вузькими сплесками за тлі плавної залежності. Якщо раптом з'ясується, що потік космічних променів при якомусь значенні енергії помітно перевищує потік при сусідніх енергіях, це сигналізує про новий механізм виникнення частинок, який на звичайні астрофізичні процеси не спишеш. Головними «підозрюваними» тут стануть частинки темної матерії. Хоча Всесвіт заповнений темною матерією, ми поки не знаємо, з якого сорту частинок він складається. Фізики шукають ці частинки давно і різними способами, але поки безуспішно. Так от, сплеск у спектрі космічних променів цілком може виникнути через те, що частинки темної матерії стикаються один з одним і анігілюють. Тому кожен натяк на нез'ясовний бугорок у спектрах будь-якого сорту частинок викликає ажіотаж у теоретиків - адже це може стати початком нової епохи в астрофізиці.
Звернемося тепер до реальних даних спостережень (Малюнок 1). У спектрі протонів спектральні лами давно відомі і широко досліджуються. Жодних різких сплесків, які могла б породити темна матерія, не видно. А ось з електронами ситуація складніша. По-перше, даних тут менше: потік електронів слабший від потоку протонів, падає з енергією крутіше, і виміряний тільки до енергій близько 1 тераелектронвольта (в супутникових обсерваторіях) або десятка тераелектронвольт (наземними гамма-телескопами). Наземні установки, і насамперед телескопи H.E.S.S. і VERITAS, бачать натяк на злам, причому якраз в районі 1 тераелектронвольту, на самому краю орбітальних вимірювань (більш докладний опис ситуації дивіться тут). Але ці дані опосередковані, тому їх необхідно підтвердити новими супутниковими вимірами.
Для цього завдання в 2015 році було запущено відразу два конкуруючих орбітальних детектора нового покоління: японський супутник CALET і китайська обсерваторія DAMPE (це, до речі, перший астрофізичний супутник Китаю). Вони успішно вийшли на орбіту і приступили до спостережень, а відповідні колаборації почали обробку даних. І нарешті, зовсім недавно, з'явилися перші статті.
Що побачив DAMPE
У листопаді обидві колаборації опублікували свої перші результати: спочатку CALET, потім DAMPE. Обидва детектори. незважаючи на технологію, здатні надійно реєструвати електрони і позитрони аж до енергії 20 тераелектронвольт. У своїх перших даних вони до таких енергій поки не дісталися, але рубіж в 1 тераелектронвольт впевнено переступили: детектор CALET дійшов до 3 тераелектронвольт, DAMPE - до 4,6 тераелектронвольту. Але ось тільки результати у них розрізняються: колаборація CALET злом не намацала, а DAMPE - впевнено його виявила і бадьоро про це рапортувала. Спектр космічних електронів, отриманий DAMPE, показаний на Малюнку 2; більш докладне порівняння результатів можна знайти тут. Причини розбіжності поки не встановлені, проте за сукупністю ознак астрофізичне співтовариство схиляється до того, що злам дійсно виявлено, причому там, де його бачили наземні гамма-телескопи.
І ось тут починається несподіване. У даних DAMPE на тлі досить плавного зламу виділяється різкий сплеск при енергії 1,4 тераелектронвольта. Такий вузький пік - заявка на сенсацію: саме так можуть виглядати сліди розпаду частинок темної матерії з масою 2,8 тераелектронвольта на електрон-позитронні пари, або анігіляція двох частинок темної матерії з масою 1,4 тераелектронвольта. Виходить, перед нами - перше пряме свідчення існування частинок темної матерії?!
На жаль, не так все просто. В історії фізики частинок накопичилося вже чимало прикладів, коли вражаючі спочатку сплески на повірку виявлялися грою випадку, банальною статистичною флуктуацією. Досить згадати недавній двофотонний пік, на якому обпеклася не одна сотня теоретиків. Треба сказати, що і нинішній пік при 1,4 тераелектронвольта виглядає не надто схожим на реальний ефект: він зачіпає лише одну ізольовану точку, а дві точки по обидва боки від неї, навпаки, лежать трохи нижче плавної кривої. Тому колаборація DAMPE проявила воістину буддійський спокій і у вихідній статті взагалі цей сплеск обійшла мовчанням. Однак вона одночасно підготувала і другу статтю з докладним обговоренням можливих пояснень цього піку.
Однак перед тим, як пускатися в пояснення, корисно задатися питанням: яка статистична значимість цієї аномалії? Сама колаборація на це питання відповіді не дала, але на основі поданих даних можна спробувати відповісти на це питання самостійно. Такий аналіз був проведений у статті, що з'явилася днями в архіві препринтів. Результат: глобальна статистична значущість складає скромні 2,3º. Іншими словами, якою б кричущою не здавалася ця аномалія, з точки зору чесної статистики поки немає підстав заявляти навіть про «вказівку на існування нового ефекту», не те що про відкриття.
Про що пишуть теоретики
Втім, відсутність впевнених заяв з боку експериментаторів ще ніколи не зупиняла теоретиків від власної інтерпретації даних. Тому прямо в день виходу статті DAMPE теоретики кинулися обговорювати, які моделі темної матерії можуть описати результати - в припущенні, звичайно, що сплеск при 1,4 тераелектронвольта реальний.
Відразу підкреслимо, що завдання це не таке вже й тривіальне. По-перше, пік виглядає вузьким, а зовсім не розмитим по енергії. Це означає, що гіпотетичне джерело електронів повинно знаходитися, в галактичних масштабах, поблизу від нас, на відстані не більше декількох сотень парсек. Якщо джерело істотно далі, то розігнані ним електрони втратять енергію на випромінювання, петляючи в галактичному магнітному полі на шляху до Землі. По-друге, в протонних спектрах не видно ніяких аномалій - значить, процес анігіляції або розпаду частинок темної матерії повинен віддавати перевагу саме електронам. По-третє, треба переконатися, що запропоновані пояснення не призводять до занадто сильного розсіювання частинок темної матерії на ядрах звичайної речовини - адже інакше ми б давно виявили їх за допомогою прямих пошуків частинок темної матерії.
Тому якщо вже насправді вважати, що це сліди темної матерії, то вони повинні йти від не від усього гало нашої Галактики, - воно занадто велике, - а від якогось компактного і локального за галактичними мірками хмари темної матерії. Більш того, його щільність повинна бути в кілька разів більше середньої по Галактиці; див. детальний аналіз у другій статті колаборації DAMPE. Подібний висновок було зроблено і в численних статтях теоретиків. Для ілюстрації на Малюнку 3 показано розрахунки спектра в рамках однієї теоретичної моделі для трьох різних відстаней до джерела: 100 парсек, 300 парсек, і 1 кілопарсек. Видно, що тільки при близьких відстанях від джерела сплеск може бути настільки вузьким. Вже при відстані в 300 парсек він розмивається в широкий пік, несхожий на результат DAMPE.
Що стосується теоретичних моделей, то тут набір можливостей широкий, але всі вони так чи інакше змушені пояснювати перевагу, віддавану електронам. Багато авторів для цього передбачають існування нових взаємодій, до яких особливо чутливі саме електрони, але не інші частинки. При звичайних енергіях ми ці взаємодії не помічаємо, оскільки їх частинки-переносники дуже важкі, але саме через них можуть анігілювати частинки темної матерії (які доводиться постулювати додатково). Приклади таких моделей дані в статтях (одна, інша і третя). Крім того, якщо частинки темної матерії - нові важкі нейтрино, то вони можуть повільно розпадатися з випусканням електронів і позитронів (дивіться, наприклад, цю статтю).
Ще одна стаття підійшла до завдання трохи інакше. Замість того щоб пропонувати конкретні моделі, автори виписали взагалі всі можливі класи теоретичних моделей (їх виявилося 20) і проаналізували, яких з них відразу закриваються іншими даними, а які ще життєздатні (таких залишилося рівно половина). Цікаві також спроби пояснити в рамках однієї моделі і пік DAMPE, і ще один недавній натяк на темну матерію - рентгенівську лінію при 3,55 кілоелектронвольта, що залишається поки без пояснення. Автор іншої роботи показує, що це можна зробити, якщо припустити, що темна матерія включає в себе кілька сортів частинок з дуже близькими, але не строго однаковими масами (такі ситуації часто зустрічаються в теорії). Тоді аннігіляція призведе до сплеску DAMPE, а перетворення трохи більш важкої частинок на легку призведе до випромінювання рентгенівського фотону.
Нарешті, кілька статей обговорюють й інші варіанти походження вузького піку, викликаного саме астрофізичними процесами, а не темною матерією. Сама колаборація DAMPE повідомляє, що на роль джерела аномалії можуть претендувати і пульсари, причому без якихось екстремальних вимог на їхні характеристики. Інша стаття аналізує долю гострих спектральних особливостей при поширенні електронів Галактикою і повідомляє, що короткочасні астрофізичні події вибухового характеру теж можуть призвести до аналогічних результатів. В обох випадках автори пророкують, що рано чи пізно буде виявлена анізотропія приходу електронів з такою енергією.
Варіантів пояснень багато, і вони потребують перевірки. На щастя, чекати її не так довго. Обидві космічні обсерваторії нового покоління, CALET і DAMPE, продовжують набір даних і через рік-два оновлять свої результати. Похибки зменшаться, спектри стануть чіткішими, і, якщо аномалія залишиться, вона теж загостриться. Крім того, вже зараз деякі моделі пророкують інші спостережувані сигнали: анізотропію електронів, аномальне ставлення позитронів до електрон, - а з космічними позитронами, до речі, і без того все заплутано, - а також можливі сигнали в гамма-астрономії і в потоці нейтрино високих енергій. Всі ці дані поступово надходитимуть, і сукупними зусиллями всієї астрофізичної спільноти, в дусі всесигнальної астрономії, ми краще зрозуміємо природу космічних електронів.