В ядре Млечного Пути происходит что-то непонятное —  в этом замешана новая форма тёмной материи, решили учёные

Аномальная активность в центре Млечного Пути, которую десятилетиями не могли объяснить стандартные астрофизические модели, может указывать на присутствие неизвестной формы материи. Британские исследователи предложили гипотезу, согласно которой именно легкие частицы темной материи ответственны за загадочную ионизацию и специфическое рентгеновское свечение галактического ядра. Если модель верна, это не только решает две давние загадки, но и предоставляет астрофизикам новый инструмент для прямого наблюдения «невидимой» Вселенной.

Два сигнала, которые не сходятся с теорией

В Центральной молекулярной зоне (ЦМЗ) — области диаметром от 650 до 1000 световых лет вокруг сверхмассивной черной дыры — зафиксированы два устойчивых явления, не имеющих убедительного объяснения в рамках традиционной физики. Первое: молекулярный водород там ионизируется с аномально высокой скоростью. Второе: вся эта область равномерно излучает в рентгеновском диапазоне с энергией строго 511 кэВ.

Обычно ионизацию связывают с ударными волнами от взрывов сверхновых, жестким космическим излучением или активностью самой черной дыры. Однако расчеты показывают, что совокупная мощность этих источников недостаточна для наблюдаемой скорости потери электронов атомами водорода. Энергия 511 кэВ, в свою очередь, является характерным маркером аннигиляции электрона и позитрона. Само по себе это не уникально, но равномерное распределение этого излучения по всей ЦМЗ ставит ученых в тупик: точечные источники (например, вспышки) не могут создать столь однородное поле.

Гипотеза «легкой» темной материи

Группа физиков из Королевского колледжа Лондона предложила сценарий, объединяющий оба феномена. В ходе моделирования они допустили существование легких частиц темной материи, которые способны взаимодействовать друг с другом. В отличие от тяжелых гипотетических кандидатов (например, WIMP), эти частицы обладают малой массой и, следовательно, низкой энергией при аннигиляции.

Согласно модели, в плотном газовом облаке ЦМЗ такие частицы сталкиваются со своими античастицами. Продуктом аннигиляции становятся электрон-позитронные пары. Поскольку окружающая среда чрезвычайно плотная, эти вновь образованные частицы не успевают разлететься далеко. Они быстро теряют энергию, локально ионизируя молекулярный водород. Именно это создает эффект «скрытого источника» ионизации. Позитроны, в свою очередь, аннигилируют с обычными электронами, порождая то самое рентгеновское излучение с энергией 511 кэВ.

Ключевой аргумент в пользу этой гипотезы — предсказанная равномерность. Моделирование показало, что профиль ионизации от гипотетического гало темной материи получается удивительно гладким, без резких пиков, что идеально соответствует наблюдательной картине. Ни один известный точечный источник (черная дыра Sgr A*, остатки сверхновых) не способен обеспечить такую однородность на масштабе сотен световых лет.

Попытки зафиксировать частицы темной материи в наземных лабораториях десятилетиями не приносят однозначного результата из-за их фундаментального свойства — отсутствия электромагнитного взаимодействия. Предложенная работа меняет парадигму: вместо того чтобы ловить частицу, ученые предлагают наблюдать за ее «работой» в естественных космических реакторах. Если дальнейшие наблюдения, в частности, с помощью гамма-телескопов нового поколения, подтвердят корреляцию между скоростью ионизации и распределением излучения 511 кэВ, это станет первым косвенным доказательством существования легкой темной материи. В таком случае центр нашей галактики превратится из объекта изучения в уникальную лабораторию для исследования фундаментальных свойств материи, из которой, по оценкам космологов, состоит бóльшая часть массы Вселенной.