Prelomový objav: Tajomstvo z centra Mliečnej dráhy prvýkrát vysvetlené po 50 rokoch

Vedcov už dlho trápia dva zvláštne javy v jadre našej galaxie. Prvým je plyn v centrálnej molekulárnej zóne (CMZ), hustej a chaotickej oblasti blízko jadra Mliečnej dráhy. Tento plyn sa ionizuje (elektricky nabíja kvôli strate elektrónov) prekvapivo vysokou rýchlosťou.

Druhým záhadným javom je tajomná žiara gama lúčov s energiou 511 kilo-elektrónvoltov (keV). Tieto gama lúče vznikajú pri zrážke elektrónu s jeho protikladom v antihmote – pozitrónom. Pri ich kolízii obidve častice zaniknú a vytvoria záblesk svetla.

Príčiny oboch javov zostávali nejasné aj po desaťročiach pozorovaní. Nová štúdia publikovaná v časopise Physical Review Letters, však ukazuje, že oba javy by mohli súvisieť s jednou z najťažšie zachytiteľných zložiek vesmíru: temnou hmotou.

Za týmito záhadami môže stáť nová forma temnej hmoty, ktorá má menšiu hmotnosť než typy, ktoré astronómovia zvyčajne hľadajú. Informuje o tom Singularity Hub.

Skrytý proces v srdci galaxie

Centrálna molekulárna zóna sa rozprestiera takmer cez 700 svetelných rokov a obsahuje niektoré z najhustejších molekulárnych plynov v našej galaxii. Vedci za tie roky zistili, že táto oblasť vykazuje nezvyčajnú ionizáciu. Molekuly vodíka sa tam štiepia na nabité častice oveľa rýchlejšie, než by sme očakávali.

Kozmické žiarenie a hviezdne svetlo bombardujú plyn a môžu spôsobovať ionizáciu. Tieto zdroje však samotné nedokážu vysvetliť pozorované úrovne.

Druhá záhada, vyžarovanie s energiou 511-keV, čaká na vysvetlenie od 70. rokov minulého storočia. Vedci navrhli niekoľko možných zdrojov. Patria medzi ne supernovy, masívne hviezdy, čierne diery a neutrónové hviezdy. Žiadny z nich však dostatočne nevysvetľuje vzorec ani intenzitu tohto žiarenia.

Mohli by oba tieto javy pochádzať z rovnakého skrytého procesu?

Temná hmota v novom svetle

Temná hmota tvorí približne 85 percent hmoty vo vesmíre, ale nevyžaruje ani neprijíma svetlo. Vedci poznajú jej gravitačné účinky, ale stále nevedia, z čoho presne sa skladá.

Často prehliadame možnosť, že častice temnej hmoty by mohli mať veľmi malú hmotnosť. Hovoríme o hmotnosti len pár miliónov elektrónvoltov, čo predstavuje oveľa menej než hmotnosť protónu. Aj takéto ľahké častice by mohli zohrávať významnú kozmickú úlohu. Odborníci ich nazývajú sub-GeV častice temnej hmoty.

Takéto častice temnej hmoty by mohli interagovať so svojimi antičasticami. Vedci skúmali, čo nastane pri ich stretnutí v galaktickom centre. Pri anihilácii vytvárajú elektróny a pozitróny.

V hustom plyne CMZ by tieto častice rýchlo strácali energiu. Veľmi účinne by ionizovali molekuly vodíka tým, že by vyrážali ich elektróny. Oblasť má takú vysokú hustotu, že častice by necestovali ďaleko. Svoju energiu by uvoľnili lokálne, čo dobre zodpovedá pozorovanému profilu ionizácie.

Naše podrobné simulácie ukazujú, že anihilácia častíc temnej hmoty na elektróny a pozitróny prirodzene vysvetľuje pozorované miery ionizácie v CMZ.

Požadované vlastnosti takejto temnej hmoty, vrátane hmotnosti a sily interakcie, neporušujú žiadne známe obmedzenia z raného vesmíru. Temná hmota tohto druhu predstavuje skutočne vážnu možnosť.

Záhada pozitrónov a nový pohľad na vesmír

Ak temná hmota vytvára pozitróny v CMZ, tieto častice sa nakoniec spomalia. Pri stretnutí s elektrónmi v prostredí anihilujú a vytvárajú gama lúče s presnou energiou 511-keV. To predstavuje priame spojenie medzi ionizáciou a záhadnou žiarou.

Zistili sme, že temná hmota môže vysvetliť nielen ionizáciu, ale aj produkovať 511-keV žiarenie. Tento pozoruhodný objav naznačuje možný spoločný pôvod oboch signálov v ľahkej temnej hmote.

Presný jas 511-keV čiary závisí od viacerých faktorov. Dôležitú úlohu hrá účinnosť tvorby viazaných stavov pozitrónov s elektrónmi a presné miesto ich anihilácie. Tieto detaily zostávajú stále neisté.

Nový spôsob testovania neviditeľného

Miera ionizácie v CMZ poskytuje cenné nové pozorovanie pre štúdium temnej hmoty. Ponúka spôsob testovania modelov s ľahkými časticami temnej hmoty, ktoré tradičné laboratórne experimenty ťažko zachytávajú.

Naša štúdia ukazuje pozoruhodne rovnomerný profil ionizácie z temnej hmoty naprieč celou CMZ. Pozorovaná ionizácia sa skutočne rozkladá relatívne rovnomerne.

Bodové zdroje ako čierna diera v strede galaxie alebo supernovy nedokážu ľahko vysvetliť tento jav. Rovnomerne rozložené halo temnej hmoty však áno.

Centrum Mliečnej dráhy nám môže ponúknuť nové indície o základnej povahe temnej hmoty. Budúce teleskopy s lepším rozlíšením prinesú viac informácií o priestorovom rozložení a vzťahoch medzi 511-keV čiarou a mierou ionizácie CMZ. Ďalšie pozorovania CMZ pomôžu potvrdiť alebo vyvrátiť vysvetlenie pomocou temnej hmoty.

Zvláštne signály zo srdca galaxie nám pripomínajú, že vesmír obsahuje stále množstvo prekvapení. Niekedy pohľad do dynamického, žiariaceho centra našej galaxie odhalí tie najneočakávanejšie náznaky toho, čo leží za hranicami nášho poznania.

Čítajte viac z kategórie: Zaujímavosti