Галактики мчатся в бездну: тёмная материя шепчет правду через гамма-вспышки

В 1930-х швейцарский астроном Фриц Цвикки заподозрил, что галактики несутся по космосу слишком быстро для своей видимой массы, и предположил наличие невидимой субстанции, скрепляющей их гравитацией.

Почти век спустя телескоп "Ферми" НАСА уловил сигналы, которые могут стать первым прямым намёком на эту загадку Вселенной. Открытие обещает перевернуть понимание космоса, где тёмная материя правит бал.

Загадка, рождённая скоростью галактик

Девяносто лет назад Цвикки наблюдал за скоплениями галактик и заметил несоответствие: их движение не укладывалось в расчёты на основе видимой материи. Это привело к идее тёмной материи — невидимой формы, которая не светится, но тянет всё к себе гравитацией. С тех пор астрономы фиксируют её влияние повсюду: в ротационных кривых галактик, где звёзды на окраинах кружат быстрее, чем должны, и в гравитационных линзах, искривляющих свет далёких объектов.

Тёмная материя составляет около 27 процентов всей массы-энергии Вселенной, в то время как обычная материя — лишь пять процентов. Без неё галактики разлетелись бы, как осенние листья на ветру. Но прямое "видение" оставалось мечтой: частицы тёмной материи игнорируют свет и электромагнетизм, взаимодействуя только гравитацией.

Гипотеза вимпов и охота за гамма-сигналами

Одна из ведущих идей — тёмная материя из вимпов, слабо взаимодействующих массивных частиц. Эти гипотетические "тяжеловесы" в сотни раз массивнее протонов могли бы аннигилировать при встрече, рождая гамма-лучи — высокоэнергетические фотоны. Учёные годами сканировали небо в поисках такого излучения, фокусируясь на плотных зонах, как центр Млечного Пути.

Телескоп "Ферми", запущенный в 2008 году, идеально подходит для этой задачи: он ловит гамма-лучи от 20 мегаэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт. Новые данные позволили разобрать сигналы, отделив возможный след тёмной материи от шума звёзд и пульсаров.

Гамма-гало: совпадение с теорией

Обнаруженное излучение образует гало вокруг центра Млечного Пути, с энергией в 20 ГэВ — как раз то, что предсказывают модели аннигиляции вимпов массой около 10 ГэВ. Спектр интенсивности совпадает с расчётами: пик на этой энергии и спад по краям. Частота событий тоже вписывается в рамки — не слишком редкая, чтобы быть случайностью, но и не хаотичная.

Это не просто всплеск: форма гала напоминает распределение тёмной материи в моделях, где она формирует сферический "ореол" вокруг галактики. Такие структуры подтверждаются наблюдениями за скоростью звёзд и газа, где гравитация тёмной материи держит всё в равновесии.

Открытие может связать космологию с физикой частиц, объясняя, почему Вселенная расширяется именно так.

Проверка и будущие горизонты

Сигнал не похож на известные источники, как сверхновые или чёрные дыры. Но для уверенности нужны независимые анализы — другие команды должны разобрать те же данные "Ферми". Ещё один тест: поиск похожего гала в карликовых спутниках Млечного Пути, где тёмная материя плотнее, а звёздный шум слабее.

С дополнительными годами наблюдений телескоп накопит больше данных, позволив уточнить спектр. Если сигнал подтвердится, это запустит поиск вимпов на Земле — в подземных детекторах вроде Xenon или LUX, где частицы могли бы редко сталкиваться с атомами.

Такие шаги приблизят понимание, как тёмная материя формировала галактики после Большого взрыва.

Сравнение гамма-сигналов тёмной материи и астрофизических источников

Гамма-излучение от аннигиляции вимпов отличается от обычных космических источников чёткой формой и спектром. Взять центр Млечного Пути: сигнал "Ферми" — сферическое гало с пиком в 20 ГэВ, в то время как излучение от сверхмассивной чёрной дыры Sagittarius A* более точечное и переменное, с энергиями от рентгена до терагерцового диапазона.

Пульсары дают импульсные всплески, синхронизированные с вращением, а здесь — стабильный фон без пульсаций. Сверхновые рождают широкополосный спектр, разбросанный по небу, в отличие от компактного гала тёмной материи. Модели вимпов предсказывают монохромный пик, который совпадает с наблюдениями, делая сигнал уникальным маркером.

В карликовых галактиках, как Драко или Скульптор, ожидается чище картина: меньше звёздного шума, но слабее сигнал — сравнение усилит доказательства. Это различие подчёркивает, почему гамма-гало выглядит как прорыв, а не шум.