В данных телескопа Fermi нашли след темной материи, но он противоречит существующим законам физики

Темная материя не спешит раскрывать свои карты. Мы знаем, что она составляет примерно 85% всей массы во Вселенной, но поймать ее частицы напрямую до сих пор не удавалось. Все меняется, если данные, собранные телескопом Fermi-LAT за 15,5 лет, окажутся правдой. Китайские астрофизики заявили о возможном обнаружении «сигнала призрака» — узкой спектральной линии на энергии 43,2 ГэВ, которая исходит от тринадцати массивных скоплений галактик. И это открытие ломает все стандартные модели.

Почему астрофизики охотятся за иголкой в стоге сена

Представьте график, где по оси X — энергия фотонов, а по Y — их количество. Почти все космические процессы дают плавную, монотонно спадающую кривую. Сверхновые, аккреция на черные дыры, релятивистские джеты — все это «размазывает» энергию. Но есть исключение. Если две частицы темной материи (вимпы) сталкиваются и аннигилируют напрямую в два фотона, каждый квант получает строго фиксированную энергию, равную массе исходной частицы. На графике это выглядит как вертикальный шип — монохроматическая линия.

В чем суть: Узкий пик — это «отпечаток пальца» темной материи. Широкий спектр может создать что угодно, а вот резкий всплеск на одной энергии — практически никогда. Поэтому, когда физики видят такую линию, они понимают: либо они поймали частицу темной материи, либо столкнулись с неизвестным астрофизическим процессом, который маскируется под нее.

Большинство экспериментов искало этот сигнал в центре нашей Галактики или в карликовых галактиках-спутниках. Но группа из обсерватории Пурпурной горы пошла другим путем. Они выбрали скопления галактик — самые массивные гравитационно связанные структуры во Вселенной. В них до 90% массы приходится на темную материю, а значит, шанс поймать аннигиляцию выше.

Стекинг, 3000 симуляций и 4,3 сигма

Проблема в том, что поток гамма-квантов от далекого скопления крайне мал — единичные фотоны в год. Чтобы вытащить сигнал из шума, ученые применили метод сложения данных (стекинг). Они объединили фотоны от 13 скоплений (Дева, Печь, Змееносец, Волосы Вероники и другие), скорректировали энергию каждого кванта с учетом красного смещения и получили суммарный спектр.

Результат: отчетливый избыток фотонов на энергии 43,2 ГэВ. Статистическая значимость для трех самых плотных скоплений (Дева, Печь, Змееносец) составила 4,3 сигма. Это не 5 сигма (золотой стандарт открытия в физике), но вероятность того, что это случайная флуктуация, — менее одной сотой процента. Для сравнения: в 2012 году все обсуждали линию на 130 ГэВ в центре Галактики, но она оказалась артефактом калибровки. Авторы новой работы учли этот урок и провели «аудит»: проверили калибровку по лимбу Земли (чистый фон атмосферы), разные режимы фильтрации данных, альтернативные модели фона. Сигнал устоял. Более того, линия привязана к границам скоплений и не растет во времени — значит, это не вспышка.

Парадокс: почему молчит центр Млечного Пути?

Вот здесь начинается самое интересное. Если темная материя аннигилирует в скоплениях, она должна аннигилировать и в нашей Галактике. Центр Млечного Пути находится в 2000 раз ближе, чем скопление Девы. Концентрация темной материи там колоссальна. По всем стандартным моделям, сигнал на 43,2 ГэВ от нашей Галактики должен быть в сотни раз ярче. Но его нет. Вообще. Ни Fermi-LAT, ни китайский детектор DAMPE не видят там ничего.

Это противоречие убивает классическую модель вимпов. Если частицы темной материи одинаковы везде, они должны вести себя одинаково. А они ведут себя по-разному. Я лично замечаю, как часто в науке «удобные» модели разбиваются о неудобные данные — и это лучший момент в астрофизике. Приходится выдумывать что-то новое.

Возможные объяснения:

• Скоростная зависимость (эффект Зоммерфельда): В скоплениях частицы темной материи движутся со скоростью ~1000 км/с, а в центре Галактики — всего ~200 км/с. Если сечение аннигиляции резко возрастает при высоких скоростях (например, из-за резонанса с неизвестной легкой частицей), то скопления будут светиться, а Галактика — нет.
• p-волновая аннигиляция: Вероятность взаимодействия пропорциональна квадрату скорости. Опять же, быстрые частицы в скоплениях выигрывают.
• Экзотика без темной материи: Миллисекундные пульсары, разгоняющие электроны до одинаковых энергий, которые затем рассеивают фотоны в узкую линию. Но это требует невероятной синхронизации в 13 разных скоплениях — выглядит натянуто.

Что дальше? Ждать VLAST

Fermi-LAT уже стар, и чтобы удвоить статистику, ему нужно работать до 2040 года. DAMPE имеет лучшее разрешение, но слишком маленькую площадь. Наземные черенковские телескопы (CTAO) на энергии 40 ГэВ почти бесполезны — фон от космических лучей их убивает.

Остается надежда на китайский телескоп VLAST (Very Large Area Gamma-Ray Space Telescope). Его геометрический фактор будет в 15 раз больше, чем у Fermi, а энергетическое разрешение — около 1,3%. Если линия на 43,2 ГэВ реальна, VLAST подтвердит ее в первые пару лет работы.

Если сигнал окажется статистической ошибкой — это будет самый изощренный артефакт в истории физики, прошедший 15 лет проверок. Если подтвердится — стандартная космология получит серьезную трещину. В любом случае, мы стоим на пороге пересмотра базовых принципов. Терпение, физики. Все решится в ближайшее десятилетие.