Galaktisk Glød, Tænk for at være Mørk Matte, Nu Tip på Skjulte Pulsarer


I 2009 fandt Dan Hooper og hans kollegaer en glød, der kommer fra centrum af vores galakse, som ingen nogensinde havde bemærket før. Efter at have analyseret offentligt tilgængelige data fra Fermi Gamma Ray Space Telescope, blev en satellit lanceret et år tidligere, konkluderede holdet, at midten af ​​Vægten strålede mere gamma stråler end astrofysikere kunne tegne sig for.

Quanta Magazine


 forfatter foto

Om

Originalhistorie genoptaget med tilladelse fra Quanta Magazine, en redaktionelt uafhængig publikation af Simons Foundation, hvis mission er at øge den offentlige forståelse af videnskaben ved at dække forskningsudviklinger og tendenser inden for matematik og fysik og biovidenskab. 19659006] Resultatet var så uventet, at der på det tidspunkt var få troede på, at det var ægte. Det hjalp ikke, at Hooper ikke var medlem af Fermi-samarbejdet, men snarere en outsider, der vælger de data, som Fermi-holdet offentliggjorde. En af forskerne, der arbejder på Fermi, kaldte sit værk "amatørlige" og argumenterede for, at Hooper simpelthen ikke vidste hvordan man korrekt fortolker dataene.

Men som tiden gik på, begyndte astrofysikere at indse, at der er meget mere høj energi stråling strømmer gennem galaksen, end de kunne forklare. Bare et år før Hooper begyndte at analysere Fermi-data, havde en gamma-stråle detektor i New Mexico kaldet Milagro fundet en overflod af super-energiske gammastråler, der syntes at komme fra hele det galaktiske plan. Og i 2014 fandt Algoritmiske Spektrometer, et eksperiment på den internationale rumstation, mere antimaterielstrømning gennem galaksen end det, der kunne redegøres for, bekræfter tidligere observationer ved hjælp af satellit- og balloneksperimenter.

Dan Hooper, fysiker ved universitetet af Chicago og Fermilab, afdækket beviser for ekstra gammastråler, der kommer fra det galaktiske center.

Fermilab

Disse tre uregelmæssigheder – hvis det virkelig viste sig at der foregik noget i universet, som vi gjorde Jeg ved ikke om. En række astrofysikere, herunder Hooper, begyndte at hævde, at to af disse mystiske signaler var et astrofysisk ekko af mørkt stof, det dybtgående mystiske stof tænkte at udgøre omkring en fjerdedel af universet.

I år næsten et årti efter Lanceringen af ​​Fermi-teleskopet har forskere næsten nået til enighed. For det første er det næsten alle astrofysikere, der er enige om, at midten af ​​vores mælkevej producerer langt mere gammastråling end vores modeller af kendte gamma-strålekilder, siger Luigi Tibaldo, en astrofysiker ved Stanford University og medlem af Fermi-samarbejdet, hvorved Hooper engang "amatørlige" påstande.

For det andet er al den ekstra stråling sandsynligvis ikke på grund af mørkt stof. En række nyere undersøgelser har overbevist mange forskere om, at pulsarer hurtigt spinder neutronstjerner – kan forklare alle tre mysterier.

Det eneste problem er, at ingen synes at kunne finde dem.

Dark Matter Days

Galaksens centrum er et overfyldt sted, tæt på stjerner, støv og formodentlig mørkt materiale. Astrofysikere har længe antaget, at mørkt materiale sandsynligvis er lavet af partikler, som ikke let kan interagere med almindelige stoffer, såkaldte "svagt interaktive massive partikler" eller WIMP'er. Lejlighedsvis kan disse WIMP'er kollidere med hinanden. Når de gør det, kan de producere gammastråler. Måske er det bare, hvad der foregår i det galaktiske center, Hooper foreslog tilbage i 2009.

Teorien svovlede med en anden ide, som Hooper havde fremsat et år tidligere. I 2008 offentliggjorde han og tre medforfattere et papir, der argumenterede for kollisioner af neutralinoser – en type WIMP-genererede brusere af eksotiske partikler, der derefter henfaldt til elementære partikler. Processen ville forklare de anomaløst høje niveauer af positroner (antimatter-modstykket af elektroner) fundet tidligere af et rumbaseret eksperiment kaldet Pamela.

I dette tilfælde var Hooper i godt selskab. Siden Pamela's første resultater har "omkring overdrevne" omkring 1000 papirer forsøgt at forklare positronoverskridende mysterium, sagde Tim Linden, en astrofysiker ved Ohio State University. Størstedelen af ​​disse papirer favoriserede den mørke materielle fortolkning. I 2014 blev Pamela-resultaterne bekæmpet af data fra AMS.

Alpha-magnetiske spektrometer, der ses her i forgrunden af ​​den internationale rumstation, kunne i sidste ende afvikle debatten om mørk materie-vs-pulsars.

Endnu andre forskere begyndte hurtigt at kaste huller i begge disse mørke materie-baserede forklaringer. I tilfælde af det galaktiske center bør WIMP-kollisioner skabe et glat, uklar glød af gammastråler, som et projektør set gennem tyk tåge. Når astrofysikere undersøgte gamma-strålens glød i detaljer, fandt de imidlertid et punktillistiske lappearbejde af lys. Det syntes som om gammastrålerne stammer fra mange individuelle punktkilder.

Og hvis WIMP'er producerede alle disse positrons, skulle de også skabe mange gamma stråler. Men når astronomer ser ud på nærliggende dværggalakser, der antages at være hjemsted for en stor mængde mørke stoffer, ser gammastrålerne ikke ud.

Spændingen i disse mørke materie-modeller har tvunget astrofysikere til at overveje nogle mere astrofysisk prosaiske muligheder.

Stigningen af ​​Pulsarer

Selvom de fleste forskere er ret sikre på, at der findes mørke stoffer (selvom vi ikke direkte kan observere det), anses modellerne stadig for eksotiske. Hvad er meget mindre eksotisk er astrofysiske strålekilder, som vi faktisk kan opdage med vores teleskoper. Så da dataene begyndte at undergrave sagen for mørkt stof, begyndte mange forskere, herunder Hooper, at overveje en meget mere dagligdags forklaring: pulsarer.

Tracy Slatyer, en fysiker ved MIT, fandt, at pulsarer kunne forklare gammastrålen glød kommer fra det galaktiske centrum.

Katherine Taylor / Quanta Magazine

Pulsarer er ultralette, hurtigtroterende objekter-neutronstjerner, de døde kerner af massive stjerner, der er gået supernova. De udsender strålingsstråler, der springer rundt med pulsaren som strålen fra et fyrtårn. Da denne stråle krydser jorden, registrerer vores teleskoper en blitz af energi.

I 2015 blev to grupper, en ledet af Christoph Weniger, en astrofysiker ved Amsterdam Universitet og den anden af ​​Tracy Slatyer, en teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology-separat fremlagt beviser, der gav pulsar teorien et stort løft. Hvert hold brugte lidt forskellige metoder, men i det væsentlige delte de begge områderne af himlen, der dækkede det galaktiske center i adskillige pixels. De tællede derefter antallet af fluktuationer i hver pixel-watching, i det væsentlige for fyrbjælker at svinge over Jordens overflade. Forskerne opdagede store forskelle mellem pixel-varme og kolde pletter på himlen, hvilket er meget lettere at forklare, om man antager, at signalet kommer fra forskellige punktkilder. "Det er det, man forventer af pulsarer, fordi der kunne være lysere pulsarer eller flere pulsarer på nogle himmel steder sammenlignet med andre," sagde Linden.

De fleste astrofysikere tror nu, at den underlige overflod af positroner i galaksen kan også skyldes pulsarer. Pulsarer genererer enorme magnetfelter, der spinder sammen med resten af ​​objektet. Et spinnende magnetfelt vil generere et elektrisk felt, og dette elektriske felt trækker elektroner fra overfladen af ​​pulsar og accelererer dem hurtigt. Når elektronerne bukker gennem de magnetiske felter, vil elektronerne udsende højenergi gammastråler. En del af denne stråling er energisk nok til at spontant morph i par af elektroner og positrons, som derefter undslipper fra pulsarens stærke magnetiske greb.

Der er mange trin i denne proces og meget usikkerhed. Specifikt vil forskere vide, hvor meget af pulsarens energi der går i at lave disse elektron-positronpar. Er det en brøkdel af et procentpoint? Eller en betydelig total, noget som 20 eller endog 40 procent af pulsarens energi? Hvis sidstnævnte pulsarer kunne gøre nok positrons til at forklare antimatteroverskuddet.

Forskere skulle finde en måde at måle antallet af elektroner og positrons ud af pulsars. Desværre er dette en ekstremt vanskelig opgave. Elektroner og positroner, der bliver opladede partikler, vil sløjfe og vride sig gennem galaksen. Hvis du opdager en fra Jorden, er det svært at vide, hvor det stammer fra.

High-Altitude Water Cherenkov Gamma Ray Observatory (HAWC) detekterer høj-energi gammastråler og kosmiske stråler.

Gamma stråler på anden hånd, hold dig til en lige vej. Med det for øje har forskere, der arbejder med High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory i Mexico, for nylig foretaget detaljerede undersøgelser af to relativt lyse og relativt nærliggende pulsarer, Geminga og Monogem. De undersøgte ikke bare gammastrålerne, der kommer fra selve pulsaren, men også de super-energiske gammastråler (1.000 gange mere energiske end overskuddet fra det galaktiske center), der fremkom som en relativt bred halo omkring pulserne. I hele denne halo kolliderede høj-energi-elektroner fra pulsarerne med lavenergifotoner fra omgivende stjernelys. Kollisionerne overførte enorme mængder energi til de pokyfotoner, som en slædehammer, der smadrede golfbolde i kredsløb.

Tidligere i år offentliggjorde et hold, der omfattede Hooper og Linden, en undersøgelse, der sammenlignede lysstyrken af ​​pulserne med lysstyrken af ​​deres glorier. De konkluderede, at 8 til 27 procent af Geminga's energi skulle konverteres til elektroner og positrons, sagde Linden. For Monogem var det dobbelt så meget. "Dette betyder, at pulsarer producerer en enorm befolkning af elektroner og positrons i vores galakse", sagde Linden.

Slatyer sagde, at forskningen er "første gang, vi virkelig har haft et håndtag på spektret af høj-energi-positroner produceret af pulsarer, så dette er et stort skridt fremad. "

Arbejdet hjælper også med at forklare det mærkelige overskud af meget høj-energi gamma stråler, der blev fundet for et årti siden af ​​Milagro detektoren i New Mexico. Strålingen kunne komme fra pulsargenererede elektroner og positrons accelererende omgivende stjernelys.

Dark Matter's Revenge

En hindring forbliver: at finde nok pulsarer til at tage højde for al den mystiske emission. "Vi skal se omkring 50 [bright] pulsarer i det galaktiske center for at producere overskydende," sagde Linden. "I stedet har vi kun fundet en håndfuld". På samme måde ved vi endnu ikke nok pulsarer i resten af ​​galaksen for at forklare positronoverskuddet eller overfloden af ​​ultrahøj-energi gamma stråler fundet af Milagro og HAWC .

Problemet forstyrrer ikke pulsarforkæmperne så meget. De håber, at en ny generation af radioteleskoper – som MeerKAT i Sydafrika og dens planlagte efterfølger, Square Kilometer Array i Sydafrika og Australien – i fremtiden vil finde de hittil usynlige radiokilder i vores galakse.

Så er den mørke materie-vs-pulsars debat afgjort? For positrons synes det at være sådan. Mens mange flere forskere plejede at favorisere den mørke materielle fortolkning oprindeligt, støtter de nu nu mod pulsarer.

Og i det galaktiske centrum er pulsarer "Occam's barberkandidat", sagde Slatyer. "Du kunne forklare dataene lige så godt med et mørk-materiel-udslettingsscenarie, men vi vidste, at der var pulsarer der, og vi ved ikke, om mørk materie udsletter, så du kan overveje det pulsære scenarie at være enklere."

Ifølge Slatyer kunne den mørke materieforklaring til det galaktiske center endnu gøre et comeback, og der er faktisk en anden måde at teste hypotesen om mørkemateriale på. Når kosmiske stråler interagerer med interstellært materiale, og i teorien – under mørkemissionsforintetgørelser, producerer de antiprotoner, prototypepartiet af en proton. Pulsarer kan ikke producere antiprotoner. Hvis forskerne skulle finde flere antiprotoner end det, der kunne regnes af kosmiske stråler, ville opdagelsen øge mørkemesscenariet. Dette er præcis, hvilke foreløbige resultater fra AMS har vist: et eventuelt overskud af antiprotoner, som kan være i overensstemmelse med udslettende mørkematerialepartikler. AMS-videnskabsmænd laver ikke nogen konklusioner om antiprotonernes kilde, men to papirer kom ud i år, hvor man argumenterede for, at mørkt materiale kunne ligge bag antiprotonoverskuddet.

For Linden ville den pulserende bekræftelse betyde endnu mere. I årtier har han sagt, at når vi har tænkt på kosmiske strålers energikilder i vores univers, har vi altid tænkt på supernovaer, der producerer protoner, som derefter genererer alle de opdagede kosmiske stråler. "Vi har haft dette rigtig smukke billede, hvor supernovaer producerer alt," sagde Linden. "Alt knytter sammen og ser perfekt ud."

Men i opbygningen af ​​denne model er energien fra pulsarer generelt forsømt, tilføjede han – til trods for at pulsarer er blandt de højeste energienheder i rummet. "Så hvis dette nye billede holder op, og pulsarer producerer disse overskud, ændrer det virkelig vores fortolkning af kilden til den mest energiske stråling i galakser, og måske i hele universet," sagde Linden.

Det kan være et tilfælde af Pulsars: 3, Dark Matter: 0, i det mindste for nu. "Men jeg ville lyve, hvis jeg sagde, at jeg ikke ønskede, at disse signaler skulle vise sig at være mørke materie," sagde Linden. "Det ville være så meget mere spændende."

Originalhistorie genoptaget med tilladelse fra Quanta Magazine, en redaktionelt uafhængig publikation af Simons Foundation, hvis mission er at øge den offentlige forståelse af videnskaben ved at dække forskningens udvikling og tendenser i matematik og fysik og biovidenskab.