Družice Fermi je na stopě zábleskům gama z centra naší Galaxie

22.03. 07:13 | Autor: Radek John

Náš domov, Mléčná dráha, je nejspíš plný temné hmoty.

Ledva se kosmická observatoř pozorující oblohu v oblasti záření gama usadila na oběžné dráze, zaznamenala tajemný signál přicházející ze středu Mléčné dráhy. Jeho původ se dosud nepovedlo nikomu vysvětlit. Mohl by pocházet ze zanikající temné hmoty?

Temná hmota je hypotetický materiál, na nějž podle výpočtů astronomů připadá 84,5 hmotnosti všech objektů ve vesmíru. Nezáří ani nepohlcuje světlo, takže se nedá spatřit pomocí žádného teleskopu, ať už na Zemi nebo na oběžné dráze. Astronomové soudí, že temná hmota existuje, kvůli jejím gravitačním účinkům na jiné objekty, jež pozorovat mohou. To jim ovšem nepomáhá, když se chtějí dozvědět něco o její podstatě. Možná by je mohla zachránit data z kosmické observatoře Fermi. Ta pracuje na oběžné dráze Země od roku 2008.

Registruje vysokoenergetické elektromagnetické záření, záření gama. Temná hmota s ním podle vědců nereaguje, stejně jako nereaguje s viditelným světlem. Část fyziků si však myslí, že by mohlo vznikat při její přeměně na energii.

Jedním z míst, kde by se to mohlo dít, je oblast ve směru okolo středu naší Galaxie o průměru asi pět tisíc světelných let. Družice Fermi z ní registruje silný signál. Tým astrofyziků vedený Tansu Daylanem nedávno zveřejnil na webu arXiv.org studii, podle níž by jeho zdrojem opravdu mohla být temná hmota.

Tajmené záření gama ze středu naší Galaxie. Vlevo stav před odečtení známých zdrojů záření, vlevo po něm.

Vzdálená anihilace

Temnou hmotu by mohly tvořit takzvané slabě interagující těžké částice, označované často anglickou zkratkou WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Hmota na sebe působí čtyřmi základními silami. Jsou to gravitace, elektromagnetická síla a slabá a silná jaderná síla. První dvě jsou všeobecně známé. Slabá síla se projevuje třeba při radioaktivních rozpadech. Silná síla drží pohromadě kvarky, částice, z nichž jsou složeny například protony nebo neutrony. Na částice WIMP by měla působit jen gravitace a slabá síla.

Kdyby opravdu existovaly, podobaly by se jiným známým částicím, neutrinům, až na to že by byly těžší, a proto také pomalejší. Jakkoliv exotické by měly být, pořád by se měly občas chovat podobně, jako partikule, které už vědci znají. Stejně jako jiné typy hmoty by měly zanikat, pokud se setkají se svou antičásticí a přeměňovat se na energii. Tomuto procesu se říká anihilace a už brzo bude pohánět kosmickou loď Enterprise.

Záření přichází z míst, kde by podle výpočtů vědců měla ležet spousta temné hmoty. Jiný tak velký zdroj paprsků gama je jen těžko představitelný. Ze signálu se podle vědců dají odvodit i podrobnosti o záhadných částicích WIMP, konkrétně jejich hmotnost.

Družice Fermi pozoruje oblohu z oběžné dráhy už od roku 2008.

Tu mají fyzikové ve zvyku vyjadřovat v elektronvoltech (eV), jednotkách energie. Hmotnost a energie jsou totiž ekvivalentní podle známého vztahu E=mc2. Hmotnost částic se pak udává v jednotkách eV/c2, nebo jen zkráceně v eV. Je to energie, která se uvolní při anihilaci takové částice.

Jsou blízko

Částice temné hmoty by měly mít hmotnost buď okolo deseti gigaelektronvoltů (GeV), nebo okolo třiceti pěti gigaelektronvoltů. Pro srovnání: proton má hmotnost 0,938 GeV, nedávno objevený Higgsův boson okolo 126 GeV (respektive GeV/c2). Podle signálu, který registruje observatoř Fermi, to vypadá spíš na první možnost. Hmotnost částic WIMP odhadují vědci na 35 GeV. Aby se výsledkům dalo definitivně uvěřit, hodilo by se ale dojít ke stejným závěrům na základě záření gama z jiného zdroje.

Mohly by jím být třeba blízké trpasličí galaxie. Předběžné výsledky z družice Fermi opravdu naznačují, že z nich přichází podobný signál. Na objasnění jeho podstaty si však budou muset vědci ještě počkat. Astronomové touží temnou hmotu objevit. V posledních deseti až patnácti letech ji považovali za zdroj nejméně osmi různých jevů. Všechny však záhy vysvětlili jinak. Šance, že ji tentokrát skutečně našli, proto není velká. Daylan a spol. však tvrdí, že ještě nikdy nebyla větší.

Nejjednodušší vysvětlení?

Jejich hlavní argument by se dal označit za variaci na Ockhamovu břitvu. Záhadný signál přichází z rozsáhlé oblasti kosmického prostoru a vysvětlit ho pomocí anihilací velkého množství těžkých částic se zdá jednodušší než alternativy. Jenou z nich by byla například spousta milisekundových pulsarů, což jsou (nejspíš) neobyčejně rychle rotující neutronové hvězdy. Ty by ale podle současných výpočtů zvládly vytvořit jen něco mezi pěti a deseti procenty záhadného signálu.

Mléčná dráha vyfotografovaná z výšky 5000 metrů nad mořem.

Verze příběhu s temnou hmotou se zdá přece jen jednodušší. Nutno ovšem poznamenat, že temná hmota samotná základnímu kritériu Ockhamovy břitvy (Pluralitas non est ponenda sine necessitate = Mnohost nemá být předkládána leč z nutnosti) vyhovuje jen se skřípěním zubů. Záleží na tom, co považujete za nutnost.

Gama záření z centra naší Galaxie coby důkazu přítomnosti temné hmoty také konkurují další záhadné signály, tentokrát v rentgenové oblasti. Letos v únoru je popsala skupina astrofyziků vedená Esrou Bulbulovou z Harvardovy univerzity.

Vědci tvrdí, že by zdrojem rentgenového záření mohl být rozpad sterilních neutrin. Je to hypotetický, zatím neobjevený druh neutrin, částic, u nichž nikdy nebyla nouze o překvapení. Mohla by tedy tvořit i temnou hmotu.

Foto: NASA/General Dynamics, Daylan et al., GSFC, Serge Brunier

Autor: Radek John