Tumšā matērija mūsu galaktikas centrā 

Fermi teleskops veica skaidrus novērojumus par pārmērīgu γ staru emisiju mūsu galaktikas centrā, kas šķita nesfēriska un saplacināta. Šis pārmērīgais γ stars, ko sauc par Galaktikas centra pārpalikumu (GCE), ir iespējama tumšās matērijas pazīme, kas rodas vāji mijiedarbojošos masīvo daļiņu (WIMP) pašiznīcināšanas rezultātā, kas ir tumšās matērijas daļiņu kandidāts. Tomēr pārmērīgais γ stars, kas novērots galaktikas centrā, var būt saistīts arī ar veciem milisekundes pulsāriem (MSP). Līdz šim tika uzskatīts, ka tumšās matērijas (DM) izraisītā GCE morfoloģija ir sfēriska. Nesen veikts simulācijas pētījums atklāj, ka gamma staru morfoloģija DM dēļ varētu būt ievērojami nesfēriska un saplacināta. Tas nozīmē, ka gan tumšās matērijas (DM) anihilācijas, gan milisekundes pulsāru (MSP) hipotēzes novērotajam GCE ir vienlīdz iespējamas. Tumšās matērijas (DM) anihilācijas laikā radītajiem gamma stariem būtu ārkārtīgi augsts enerģijas līmenis - aptuveni 0.1 teraelektronvolts (TeV). Standarta gamma staru teleskopi nevar tieši noteikt šos augstas enerģijas fotonus. Tādēļ tumšās matērijas (DM) modeļa apstiprināšana par Galaktikas centra pārpalikumu (GCE) būtu iespējama pēc tera γ staru observatoriju, piemēram, Čerenkova teleskopu masīva observatorijas (CTAO) un Dienvidu platleņķa gamma staru observatorijas (SWGO), pētījumu pabeigšanas.

Tumšās matērijas stāsts aizsākās 1933. gadā, kad Frics Cvikijs novēroja, ka Komas galaktikas kopā strauji kustīgās galaktikas nevar turēties kopā un palikt stabilas bez papildu matērijas klātbūtnes, kas kaut kādā veidā ir neredzama, bet rada pietiekamu gravitācijas efektu, lai apturētu galaktiku sabrukšanu. Viņš ieviesa terminu "tumšā matērija", lai apzīmētu šādu neredzamo matēriju. 20. gadsimta 60. gados Vera Rubina sniedza nozīmīgu ieguldījumu mūsu izpratnē par tumšo matēriju. Viņa atzīmēja, ka zvaigznes Andromedas galaktikas ārējās malās un citu galaktiku rotē ar ātrumu, kas ir tikpat liels kā zvaigžņu ātrums virzienā uz centru. Ņemot vērā visu novēroto matērijas daudzumu, galaktikai vajadzēja sabrukt, radot nepieciešamību pēc papildu neredzamās matērijas klātbūtnes, kas satur galaktikas kopā un liek tām rotēt lielā ātrumā. Viņas Andromedas galaktikas rotācijas līkņu mērījumi sniedza agrākos pierādījumus par tumšo matēriju.  

Tagad mēs zinām, ka tumšā matērija nemijiedarbojas ar gaismu vai elektromagnētisko spēku. Tā neabsorbē, neatstaro un neizstaro gaismu vai citus elektromagnētiskos starojumus un ir neredzama, tāpēc to sauc par tumšo. Taču tā gravitācijas ceļā veido kopas un tai ir gravitācijas ietekme uz parasto matēriju, un tā parasti tiek secināta tās klātbūtne kosmosā. Galaktikas līdzsvarā notur tumšās matērijas gravitācijas efekts, kas veido pat 26.8% no Visuma masas enerģijas satura, savukārt viss novērojamais Visums, ieskaitot visu barionisko parasto matēriju, no kuras mēs visi sastāvam, veido tikai 4.9% no Visuma. Atlikušie 68.3% no Visuma masas enerģijas satura ir tumšā enerģija.  

Nav zināms, kas īsti ir tumšā matērija. Tajā nav fundamentālu daļiņu. Standarta modelis piemīt īpašības, kas nepieciešamas tumšās matērijas esamībai. Varbūt hipotētiskas "supersimetriskas daļiņas", kas ir standarta modeļa daļiņu partneri, veido tumšo matēriju. Varbūt pastāv paralēla tumšās matērijas pasaule. WIMPs (vāji mijiedarbojošās masīvās daļiņas), aksioni vai sterili neitrīno ir hipotētiskas daļiņas ārpus standarta modeļa, kas ir galvenie kandidāti. Tomēr šādu daļiņu noteikšanā vēl nav gūti panākumi.  

Ir vairāki projekti (piemēram, Ksenona eksperiments, DarkSide-20k projekts, EURECA eksperiments, un RES-NOVA) pašlaik tiek veikti tumšās matērijas daļiņu tiešai noteikšanai. Tie galvenokārt ir šķidras cēlgāzes detektori vai kriogēni detektori, kas paredzēti, lai noteiktu vājus signālus no tumšās matērijas daļiņu mijiedarbības. Tomēr, neskatoties uz daudzām jaunām pieejām, neviens projekts vēl nav spējis tieši noteikt nevienu tumšās matērijas daļiņu. 

Lai iegūtu netiešus pierādījumus par tumšo matēriju, var meklēt tumšās matērijas gravitācijas efektus, kā to darīja Frics Cvikijs un Vera Rubina, lai atklātu tumšo matēriju, pētot, kā galaktikas tiek turētas kopā, neskatoties uz to, ka to ātrumi ir nesamērīgi lieli novērotajai parastajai matērijai. Lēcas (gamma staru locīšanās) gravitācijas efekti un ietekme uz zvaigžņu kustību kosmosā var sniegt arī netiešus pierādījumus par tumšās matērijas klātbūtni. Turklāt anihilācijas produkti (piemēram, gamma stari, neitrīno un kosmiskie stari), kas rodas, tumšās matērijas daļiņām saduroties vienai ar otru kosmosā, var arī norādīt uz tumšās matērijas klātbūtni. Viena no šādām vietām, kur tumšā matērija tika prognozēta, pamatojoties uz tumšās matērijas daļiņu anihilācijas produktiem, ir mūsu dzimtās galaktikas Piena Ceļa centrs.  

Tumšās matērijas noteikšana mūsu mājas galaktikas Piena Ceļa centrā  

Bija norādes uz pārmērīgu difūzu mikroviļņu centrālo mirdzumu Piena Ceļa (MW) centrā. Tika ierosināts, ka pārmērīgo mirdzumu izraisa sinhrotronu emisija no relatīvistiskiem elektroniem un pozitroniem, kas rodas WIMP tumšās matērijas anihilācijā, tāpēc tika prognozēts paplašināts difūzs γ staru signāls enerģijas diapazonā līdz dažiem simtiem GeV. Pēc tam Fermi-Large Area Telescope (LAT) uztvēra γ staru signālu, kas tika identificēts kā Galaktikas centra pārpalikums (GCE). Drīz vien tika saprasts, ka Galaktikas centra pārpalikums (GCE) varētu būt saistīts arī ar vecām neitronu zvaigznēm (milisekundes pulsāriem). Tika uzskatīts, ka svarīga būs GCE morfoloģija – simetrisks sfēriskas formas GCE liecinātu par γ staru emisiju no tumšās matērijas (DM) daļiņu anihilācijas, savukārt saplacināta GCE morfoloģija liecinātu par γ staru emisiju no milisekundes pulsāriem (MSP).  

Plaši Fermi-Large Area teleskopa (LAT) veiktie Piena Ceļa galaktikas centra novērojumi atklāja saplacinātu asfēriskumu. Parasti novēroto asfēriskumu saistītu ar vecām zvaigznēm (MSP), tomēr nesenā pētījumā, kas publicēts 2025. gada 16. oktobrī, secināts, ka gan veco zvaigžņu (MSP), gan tumšās matērijas (DM) anihilācijas modeļu paredzētās GCE morfoloģijas nav atšķiramas.   

Lai pētītu tumšās matērijas sadalījumu, pētnieki veica Piena Ceļam (MW) līdzīgu galaktiku morfoloģijas simulāciju. Viņi atklāja, ka tumšās matērijas oreoli ap galaktikām, kā arī ap galaktiku centrālajiem reģioniem reti ir sfēriski, kā tiek pieņemts anizotropiskajā modelī. Tā vietā analīze parādīja saplacinātu tumšās matērijas blīvuma projekciju visām galaktikām. Šo neaksiāli simetrisko tumšās matērijas (DM) sadalījumu parādīja arī Piena Ceļa galaktikas saplūšanas vēsture pirmajos trīs miljardos gadu Visuma vēsturē. Novērotā GCE morfoloģija ir saplacināta centrālajā reģionā, kas parasti tiek uzskatīts par raksturīgu veco zvaigžņu (MSP) sadalījumam. Jaunais pētījums ir parādījis, ka tumšā matērija (DM) ģenerē līdzīgu kvadrātveida sadalījumu. Tādējādi gan tumšās matērijas (DM) anihilācijas, gan milisekundes pulsāru (MSP) hipotēzes novērotajam GCE ir vienlīdz iespējamas.   

Vai novērotais GCE ir saistīts ar tumšo matēriju (DM) vai milisekundes pulsāriem (MSP), būs zināms, kad γ staru observatorijas, piemēram, Čerenkova teleskopu masīva observatorija (CTAO) un Dienvidu platleņķa gamma staru observatorija (SWGO), nākotnē pabeigs savus teragamma staru pētījumus. Gamma stari, kas rodas kā tumšās matērijas (DM) anihilācijas produkts galaktikas centrā, būtu īpaši augstas enerģijas fotoni ar ārkārtīgi augstu enerģijas līmeni, aptuveni 0.1 teraelektronvoltu (TeV). Standarta gamma staru teleskopi nevar tieši noteikt šos augstas enerģijas fotonus. Teragamma stari būs svarīgs mērķis nākotnes γ staru observatorijām, piemēram, CTAO un SWGO.  

Šis pētījums ir solis uz priekšu tumšās matērijas noteikšanā kosmosā, izmantojot tās anihilācijas produktus, tomēr tumšās matērijas klātbūtne galaktikas centrā nākotnē būtu jāapstiprina ar īpaši augstas enerģijas γ staru observatorijām, piemēram, CTAO vai SWGO. Daudz nozīmīgāks progress tumšās matērijas zinātnē būtu jebkuras DM daļiņas tieša noteikšana.  

*** 

Norādes:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK et al. Jaunas pieejas tumšās matērijas noteikšanai. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. un Rossib N. 2024. Tumšās matērijas tieša noteikšana: kritisks apskats. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Korpuskulārās fizikas institūts. Tumšās matērijas meklējumos: jauna pieeja neredzamā atklāšanai. 2025. gada 22. augusts. Pieejams vietnē https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM u.c. 2025. Fermi-LAT galaktikas centra tumšās matērijas pārpalikuma morfoloģija Piena Ceļa galaktikas simulācijās. Physical Review Letters. 135, 161005. Publicēts 2025. gada 16. oktobrī. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Pirmsdrukas versija vietnē arXiv. Iesniegts 2025. gada 8. augustā. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Džona Hopkinsa Universitāte. Ziņas – Noslēpumaina mirdzēšana Piena Ceļā varētu liecināt par tumšās matērijas esamību. Publicēts 2025. gada 16. oktobrī. Pieejams vietnē https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Leibnica Astrofizikas institūts. Ziņas — Piena Ceļš uzrāda gamma staru pārpalikumu tumšās matērijas iznīcināšanas dēļ. Publicēts 2025. gada 17. oktobrī. Pieejams vietnē https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Fermi gamma staru kosmiskais teleskops. Pieejams vietnē https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Čerenkova teleskopu masīva observatorija (CTAO). Pieejams vietnē https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Dienvidu platleņķa gamma staru observatorija (SWGO). Pieejama vietnē https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Tartu observatorija. Visuma tumšā puse. Pieejams vietnē https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***