В самом сердце Млечного Пути, в области, известной как центральная молекулярная зона (CMZ), учёные столкнулись с двумя аномалиями, которые десятилетиями не поддавались объяснению. Первая из них — это необычно высокий уровень ионизации газа, в результате чего молекулы водорода разделяются на электроны и ядра с неестественно высокой скоростью. Вторая — загадочное гамма-излучение с энергией 511 килоэлектронвольт (кеВ), обнаруженное ещё в 1970-х годах. Это излучение возникает, когда электрон сталкивается со своей антиматериальной парой — позитроном, и оба аннигилируют, испуская гамма-квант.
Центральная молекулярная зона простирается на 700 световых лет вокруг ядра Галактики и содержит одни из самых плотных облаков молекулярного газа во всей Млечном Пути. Несмотря на значительные исследования, ни космические лучи, ни звёздное излучение не способны объяснить столь интенсивную ионизацию, наблюдаемую в этом регионе. Аналогично, ни одна из известных астрофизических причин — будь то сверхновые, массивные звёзды, чёрные дыры или нейтронные звёзды — не даёт удовлетворительного объяснения паттерну и интенсивности 511-кеВ гамма-излучения.
Недавняя статья, опубликованная в Physical Review Letters, выдвигает новую гипотезу: обе загадки могут быть связаны с редкой формой тёмной материи. Тёмная материя, составляющая около 85% всей материи во Вселенной, не взаимодействует со светом, но оказывает гравитационное воздействие. Её точная природа до сих пор неизвестна. Новое исследование рассматривает возможность существования частиц тёмной материи суб-ГэВ (с массой в несколько миллионов электронвольт, что значительно легче протона), которые способны аннигилировать в центральной зоне Галактики, образуя электроны и позитроны.
Эти лёгкие частицы тёмной материи при аннигиляции в плотном газе CMZ производят электронно-позитронные пары, которые быстро теряют энергию и ионизируют молекулы водорода в непосредственной близости от места своего возникновения. Моделирование показало, что такое распределение энергии объясняет наблюдаемые темпы ионизации и их равномерное распределение по всей зоне. Этот результат не противоречит ограничениям, наложенным на тёмную материю условиями ранней Вселенной, и делает гипотезу о лёгкой тёмной материи серьёзной кандидатурой на объяснение обеих аномалий.
Что касается загадочного 511-кеВ гамма-излучения, то предложенный механизм выглядит следующим образом: позитроны, созданные в результате аннигиляции тёмной материи, замедляются в плотном газе и, встречаясь с электронами, аннигилируют, порождая характерные гамма-кванты. Этот процесс связывает две загадки — ионизацию и гамма-излучение — в рамках единой физической картины. Однако уровень яркости 511-кеВ линии зависит от эффективности формирования связанных электрон-позитронных пар и точных позиций, где происходят аннигиляции — эти детали ещё остаются неясными.
Одним из ключевых выводов исследования является то, что профиль ионизации в CMZ — практически ровный по всей области — лучше всего объясняется не точечными источниками (например, чёрной дырой или космическими лучами от сверхновых), а равномерно распределённой тёмной материей, формирующей гало вокруг центра Галактики. Это позволяет использовать показатели ионизации в центральной зоне как новый инструмент для поиска и изучения свойств тёмной материи, особенно её лёгких форм, которые трудно обнаружить в лабораторных экспериментах.
Авторы работы отмечают: «Распределение ионизации, вызванное тёмной материей, удивительно ровное по всей центральной молекулярной зоне. Наблюдаемые данные соответствуют именно такому профилю».
Будущие телескопы с более высоким пространственным разрешением позволят уточнить карту распределения 511-кеВ излучения и ионизации в CMZ. Новые наблюдения могут либо окончательно опровергнуть, либо существенно укрепить тёмноматериальную гипотезу. Центр Млечного Пути остаётся уникальной лабораторией космической физики, где, возможно, скрываются ключи к пониманию фундаментальных свойств Вселенной.
Изображение носит иллюстративный характер
Центральная молекулярная зона простирается на 700 световых лет вокруг ядра Галактики и содержит одни из самых плотных облаков молекулярного газа во всей Млечном Пути. Несмотря на значительные исследования, ни космические лучи, ни звёздное излучение не способны объяснить столь интенсивную ионизацию, наблюдаемую в этом регионе. Аналогично, ни одна из известных астрофизических причин — будь то сверхновые, массивные звёзды, чёрные дыры или нейтронные звёзды — не даёт удовлетворительного объяснения паттерну и интенсивности 511-кеВ гамма-излучения.
Недавняя статья, опубликованная в Physical Review Letters, выдвигает новую гипотезу: обе загадки могут быть связаны с редкой формой тёмной материи. Тёмная материя, составляющая около 85% всей материи во Вселенной, не взаимодействует со светом, но оказывает гравитационное воздействие. Её точная природа до сих пор неизвестна. Новое исследование рассматривает возможность существования частиц тёмной материи суб-ГэВ (с массой в несколько миллионов электронвольт, что значительно легче протона), которые способны аннигилировать в центральной зоне Галактики, образуя электроны и позитроны.
Эти лёгкие частицы тёмной материи при аннигиляции в плотном газе CMZ производят электронно-позитронные пары, которые быстро теряют энергию и ионизируют молекулы водорода в непосредственной близости от места своего возникновения. Моделирование показало, что такое распределение энергии объясняет наблюдаемые темпы ионизации и их равномерное распределение по всей зоне. Этот результат не противоречит ограничениям, наложенным на тёмную материю условиями ранней Вселенной, и делает гипотезу о лёгкой тёмной материи серьёзной кандидатурой на объяснение обеих аномалий.
Что касается загадочного 511-кеВ гамма-излучения, то предложенный механизм выглядит следующим образом: позитроны, созданные в результате аннигиляции тёмной материи, замедляются в плотном газе и, встречаясь с электронами, аннигилируют, порождая характерные гамма-кванты. Этот процесс связывает две загадки — ионизацию и гамма-излучение — в рамках единой физической картины. Однако уровень яркости 511-кеВ линии зависит от эффективности формирования связанных электрон-позитронных пар и точных позиций, где происходят аннигиляции — эти детали ещё остаются неясными.
Одним из ключевых выводов исследования является то, что профиль ионизации в CMZ — практически ровный по всей области — лучше всего объясняется не точечными источниками (например, чёрной дырой или космическими лучами от сверхновых), а равномерно распределённой тёмной материей, формирующей гало вокруг центра Галактики. Это позволяет использовать показатели ионизации в центральной зоне как новый инструмент для поиска и изучения свойств тёмной материи, особенно её лёгких форм, которые трудно обнаружить в лабораторных экспериментах.
Авторы работы отмечают: «Распределение ионизации, вызванное тёмной материей, удивительно ровное по всей центральной молекулярной зоне. Наблюдаемые данные соответствуют именно такому профилю».
Будущие телескопы с более высоким пространственным разрешением позволят уточнить карту распределения 511-кеВ излучения и ионизации в CMZ. Новые наблюдения могут либо окончательно опровергнуть, либо существенно укрепить тёмноматериальную гипотезу. Центр Млечного Пути остаётся уникальной лабораторией космической физики, где, возможно, скрываются ключи к пониманию фундаментальных свойств Вселенной.
