ダークマターは天の川の中心から来るガンマ線の源である可能性があります

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天の川の中心部には、神秘的な出来事がたくさんあります。そこに存在する超大質量ブラックホールはその中の首長です。しかし、そこにはもう1つの興味深いパズルがあります。それは、強力なガンマ線放出の予想外の球状領域です。

新しい研究は、暗黒物質がそれらの放出の背後にある可能性があることを示唆しています。

宇宙には多くのガンマ線源があり、それらのほとんどはよく理解されています。パルサー、マグネター、クエーサーはすべてガンマ線を生成します。しかし、それらは私たちの銀河の中心から来るガンマ線を説明できますか？

ガンマ線は強力です。これらは、宇宙で最もエネルギッシュな現象によって生成される、透過的な電磁放射の一種です。それらはあらゆるタイプの電磁放射線の最も短い波長と最も高い光子エネルギーを持っています。

天の川の中心にあるガンマ線の過剰は物理学者に知られています。彼らはそれを銀河中心過剰（GCE）と呼んでいます。私たちは天の川についてよく知っており、その知識によってGCEの説明が2つの主要な可能性：急速に回転する中性子星であるパルサーの集団、または暗黒物質。物理学者は、それが暗黒物質である場合、銀河の中心にある密集した雲の中に存在し、それ自体と衝突して消滅してガンマ線を生成すると考えています。

2015年の調査では、GCEの発生源は実際にはパルサーであり、暗黒物質は関与していないことが示されました。その研究は、物理学のトレーシー・スレイヤー准教授を含むプリンストンとMITの研究者チームからのものでした。彼らは、フェルミガンマ線宇宙望遠鏡で撮影された銀河中心の観測と、ガンマ線を生成する可能性のある天の川のすべての相互作用を記述するモデルを使用しました。彼らはパルサーが原因であると結論しました。

しかし、MITのSlatyerを含む新しい研究は、これらの結果を覆し、すべてのガンマ線の発生源として暗黒物質を指摘しているようです。

新しい研究は「銀河中心のガンマ線過剰に対する暗黒物質仮説の復活」というタイトルで、Physical Review Lettersに掲載されています。著者は、MITの理論物理学センターのトレーシースレイター、および高等研究所の自然科学部のレベッカレーンです。彼らの研究によると、以前の問題には問題があり、その結果は信頼できません。 GCEへのダークマターの貢献は見過ごされていたかもしれません。

GCEをパルサーまたは暗黒物質のいずれかに限定することの難しさは、光子が放出される方法と、それらを検出する技術的能力に起因します。暗黒物質からのガンマ線は拡散しますが、パルサーからのガンマ線はより集中した点光源になります。 2015年には、すべてのガンマ線が拡散して見えましたが、これは、点光源が空間分解能が限られている望遠鏡では拡散して見えるためと考えられます。 2015年、研究者たちはパルサーが原因であると結論付けました。

天の川はだいたい平らで、中央に膨らみがあります。ガンマ線は、中心で半径約5,000光年の球形領域を占めます。 Slatyerと彼女の同僚が2015年に開発した方法は、この球形の領域が「滑らか」であるか、それとも「粒子が粗い」かを解決しようとしました。彼らの推論は、もしパルサーがガンマ線の源であるならば、それらのガンマ線はその球形の領域を粗く見せるはずであるということでした。パルサー光源が存在しなかった場合、ガンマ線間に暗いギャップがあります。

しかし、ガンマ線が暗黒物質からのものである場合、球形の領域は滑らかになります。「銀河中心に向かうすべての視線にはおそらく暗黒物質の粒子があるため、信号にギャップやコールドスポットは見られません」とSlatyer氏は説明します。

彼らは、天の川のすべての物質とガス、およびガンマ線を生成する可能性のあるすべての粒子相互作用を説明するモデルを開発しました。次に、GCEの球形領域の粒子が粗いまたは滑らかなモデルと、それらを区別するための統計的手法を検討しました。次に、そのモデルを使用して、実際のフェルミガンマ線宇宙望遠鏡の観測結果をフィードし、観測結果が粗いプロファイルと滑らかなプロファイルのどちらに当てはまるかを確認しました。

観測が粗いプロファイルに収まる場合、パルサーはガンマ線を説明できます。それらが滑らかなプロファイルに収まる場合、暗黒物質がそれらを説明する可能性があります。粒子の粗いプロファイルは圧倒的なフィット感でした。

「100％粒子が粗かったので、「ああ、ダークマターではそれができないので、他の何かでなければならない」とSlatyer氏は振り返ります。「私の望みは、これが同様の手法を使用した銀河中心領域の多くの研究のほんの最初のものであることでした。しかし、2018年までに、メソッドの主なクロスチェックは2015年に行ったものであり、何かを見落としたかもしれないと私はかなり緊張しました。」

最終的にスレイターとリーンはモデルをテストすることに決めました。 Slatyerは、十分に堅牢ではない可能性があることを懸念していました。彼らは、GCEに関連付けられていない暗黒物質信号とパルサーを含む、空の「偽の」マップを作成することを決定しました。彼らはそれをモデルに供給し、データに偽の暗黒物質信号が含まれていても、モデルは粒子が粗いため、パルサーが支配的であると結論付けました。 Slatyer氏によると、それは彼らのモデルが絶対的だというわけではなく、ダークマターがGCEで役割を果たす余地がまだあることの証拠でした。

「それが本当に暗黒物質である場合、これは暗黒物質が重力以外の力を介して可視物質と相互作用する最初の証拠になるでしょう。」
Rebecca Leane、共著者、自然科学部、高等研究所。

その後、同僚は、偽のバックグラウンドマップではなく、実際のフェルミ観測と組み合わせて偽の暗黒物質信号を追加してモデルをテストすることを提案しました。

彼らはそうしました、そして、彼らの統計モデルはテストに失敗しました。スムーズな暗黒物質信号にもかかわらず、モデルは粗いパルサー優位の結果を返しました。彼らは暗黒物質信号を実際のGCEのサイズの4倍に上げましたが、それでもモデルはそれを検出できませんでした。

「「その段階までに、私はかなりの興奮を覚えました。それは、その影響が非常に大きいことを知っていたからです。つまり、暗黒物質の説明がテーブルに戻ったことを意味していました」とLeaneは言います。

これらの最新の結果が正しければ、それは大きな問題です。

「それが本当に暗黒物質である場合、これは暗黒物質が重力以外の力を介して可視物質と相互作用する最初の証拠になるでしょう」とLeaneは言います。「暗黒物質の性質は、現時点で物理学における最大の未解決の問題の1つです。この信号を暗黒物質として識別することで、最終的に暗黒物質の基本的なアイデンティティを明らかにすることができます。過剰がどうなったとしても、私たちは宇宙について何か新しいことを学びます。」

「これが暗黒物質である可能性を排除したと私たちは思ったので、それはエキサイティングです」とスラティエはプレスリリースで言った。「しかし今、抜け穴があり、私たちの主張には系統的な誤りがあります。ダークマターから信号が発信されるようにドアを再び開きます。」

この新しい結果は、Physical Review Lettersの12月11日号に掲載されています。