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Dunkle Materie könnte eine Quelle von Gammastrahlen sein, die aus dem Zentrum der Milchstraße kommen

Im Zentrum der Milchstraße gibt es viele mysteriöse Vorgänge. Das supermassive Schwarze Loch, das sich dort befindet, ist das wichtigste unter ihnen. Aber es gibt noch ein weiteres faszinierendes Rätsel: eine unerwartete kugelförmige Region mit intensiven Gammastrahlenemissionen.

Eine neue Studie legt nahe, dass dunkle Materie hinter diesen Emissionen stecken könnte.

Es gibt viele Gammastrahlenquellen im Universum, und die meisten von ihnen sind gut erforscht. Pulsare, Magnetare und Quasare produzieren alle Gammastrahlen. Aber können sie die Gammastrahlen erklären, die aus dem Zentrum unserer Galaxie kommen?

Gamma Strahlen sind mächtig. Sie sind eine Form durchdringender elektromagnetischer Strahlung, die von den energiereichsten Phänomenen im Universum erzeugt wird. Sie haben die kürzesten Wellenlängen aller Arten elektromagnetischer Strahlung und die höchste Photonenenergie.



Gammastrahlen haben die kürzesten Wellenlängen und die höchste Photonenenergie. Beachten Sie die Überlappung zwischen „harten“ Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. In der Astrophysik sind Gammastrahlen solche mit Photonenenergien über 100 keV. Bildquelle: Public Domain http://son.nasa.gov/tass/content/electrospectrum.htm

Den Physikern ist der Überschuss an Gammastrahlen im Herzen der Milchstraße bekannt, und sie nennen ihn die Überschuss des galaktischen Zentrums (GCE.) Wir wissen viel über die Milchstraße, und dieses Wissen hat die Erklärungen für die GCE auf zwei Hauptmöglichkeiten beschränkt: entweder eine Population von Pulsaren, die schnell rotierende Neutronensterne sind, oder dunkle Materie. Physiker glauben, dass dunkle Materie in einer dichten Wolke im Zentrum der Galaxie existiert, mit sich selbst kollidiert und sich selbst vernichtet, um Gammastrahlen zu erzeugen.

Im Jahr 2015 zeigte eine Studie, dass die Quelle für die GCE tatsächlich Pulsare waren und dunkle Materie nicht beteiligt war. Diese Studie stammt von einem Team von Forschern aus Princeton und dem MIT, darunter die außerordentliche Professorin für Physik Tracy Slatyer. Sie nutzten Beobachtungen des galaktischen Zentrums, die mit dem Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop zusammen mit einem Modell, das alle Wechselwirkungen in der Milchstraße beschreibt, die Gammastrahlen erzeugen könnten. Sie kamen zu dem Schluss, dass Pulsare dafür verantwortlich waren.

Aber eine neue Studie, an der auch Slatyer vom MIT beteiligt war, scheint diese Ergebnisse zu widerlegen und auf dunkle Materie als Quelle all dieser Gammastrahlen hinzuweisen.

Die neue Studie trägt den Titel „ Wiederbelebung der Dunkle-Materie-Hypothese für den Gammastrahlen-Überschuss des Galaktischen Zentrums “ und wird in Physical Review Letters veröffentlicht. Die Autoren sind Tracy Slatyer vom Center for Theoretical Physics am MIT und Rebecca Leane von der School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study. Ihre Studie sagt, dass es ein Problem mit dem früheren gibt und seine Ergebnisse unzuverlässig sind. Ein Beitrag der Dunklen Materie zum GCE hätte unbemerkt bleiben können.

Die Schwierigkeit, den GCE entweder auf Pulsare oder dunkle Materie einzugrenzen, liegt an der Art und Weise, wie die Photonen emittiert werden, und an unserer technologischen Fähigkeit, sie zu erkennen. Gammastrahlen von Dunkler Materie wären diffus, während diejenigen von Pulsaren konzentriertere Punktquellen wären. Im Jahr 2015 erschienen alle Gammastrahlen diffus, aber das könnte daran liegen, dass die Punktquellen für unsere Teleskope, die eine begrenzte räumliche Auflösung haben, diffus erscheinen. 2015 kamen die Forscher zu dem Schluss, dass Pulsare dafür verantwortlich sind.



Ein Bild aus der Studie aus dem Jahr 2016, das die Gammastrahlenemissionen von Pulsaren zeigt. Bildquelle: R. Bartels et al, 2016.

Die Milchstraße ist mehr oder weniger flach mit einer Ausbuchtung in der Mitte. Die Gammastrahlen besetzen einen kugelförmigen Bereich im Zentrum mit einem Radius von etwa 5.000 Lichtjahren. Die Methode, die Slatyer und ihre Kollegen im Jahr 2015 entwickelten, versuchten herauszufinden, ob diese kugelförmige Region „glatt“ oder „körnig“ ist. Ihre Überlegung war, dass, wenn Pulsare die Quelle der Gammastrahlen sind, diese Gammastrahlen diese sphärische Region körnig aussehen lassen sollten. Es würden dunkle Lücken zwischen den Gammastrahlen entstehen, wo es keine Pulsarquellen gäbe.

Aber wenn die Gammastrahlen aus dunkler Materie kämen, wäre die sphärische Region glatt. „Jede Sichtlinie zum galaktischen Zentrum weist wahrscheinlich Teilchen aus dunkler Materie auf, daher sollte ich keine Lücken oder kalten Flecken im Signal sehen“, erklärte Slatyer.

Sie entwickelten ein Modell, das die gesamte Materie und das Gas in der Milchstraße sowie alle Teilchenwechselwirkungen, die Gammastrahlen erzeugen könnten, berücksichtigte. Dann überlegten sie Modelle für die sphärische Region des GCE, die entweder körnig oder glatt waren, und eine statistische Methode, um sie voneinander zu unterscheiden. Dann nahmen sie dieses Modell und speisten tatsächliche Beobachtungen des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops ein, um zu sehen, ob die Beobachtungen entweder in ein körniges oder ein glattes Profil passen.

Eine mit dem Fermi-Gammastrahlen-Teleskop gemachte Himmelsansicht im Gammastrahlen-Licht zeigt helle Gammastrahlen-Emission in der Ebene der Milchstraße (Mitte), helle Pulsare und supermassive Schwarze Löcher, einschließlich des aktiven Blazars 3C 454.3 unten links . Bildnachweis: NASA/DOE/Internationales LAT-Team

Passen die Beobachtungen in ein körniges Profil, könnten Pulsare die Gammastrahlen erklären. Wenn sie in ein glattes Profil passen, könnte dunkle Materie sie erklären. Das körnige Profil war eine überwältigende Passform.

„Wir sahen, dass es zu 100 Prozent körnig war und sagten: ‚Oh, das kann die Dunkle Materie nicht, also muss es etwas anderes sein‘“, erinnert sich Slatyer. „Meine Hoffnung war, dass dies nur die erste von vielen Studien der galaktischen Zentrumsregion mit ähnlichen Techniken sein würde. Aber 2018 waren die wichtigsten Gegenkontrollen der Methode immer noch die, die wir 2015 durchgeführt hatten, was mich ziemlich nervös machte, dass wir etwas übersehen haben könnten.“

Schließlich beschlossen Slatyer und Leane, das Modell zu testen. Slatyer befürchtete, dass es nicht robust genug sein könnte. Sie beschlossen, eine „gefälschte“ Himmelskarte zu erstellen, die ein Signal der dunklen Materie und Pulsare enthält, die nicht mit dem GCE in Verbindung gebracht wurden. Sie speisten es in das Modell ein und obwohl ihre Daten ein gefälschtes Signal der Dunklen Materie enthielten, kam das Modell zu dem Schluss, dass es körnig und daher pulsardominiert war. Laut Slatyer war dies ein Beweis dafür, dass ihr Modell nicht narrensicher war und dass Dunkle Materie noch eine Rolle in der GCE spielen konnte.

„Wenn es wirklich dunkle Materie ist, wäre dies der erste Beweis dafür, dass dunkle Materie mit sichtbarer Materie durch andere Kräfte als die Schwerkraft interagiert.“

Rebecca Leane, Co-Autorin, School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study.

Dann schlug ein Kollege vor, dass die Forscher ein gefälschtes Signal der Dunklen Materie in Kombination mit echten Fermi-Beobachtungen hinzufügen, um ihr Modell zu testen, anstatt mit einer gefälschten Hintergrundkarte.

Sie taten dies, und ihr statistisches Modell bestand den Test nicht. Trotz des glatten Signals der dunklen Materie lieferte das Modell ein körniges, von Pulsaren dominiertes Ergebnis. Sie haben ihr Dunkle-Materie-Signal auf die vierfache Größe des tatsächlichen GCE hochgedreht und ihr Modell konnte es immer noch nicht erkennen.

„Zu diesem Zeitpunkt war ich ziemlich aufgeregt, weil ich wusste, dass die Auswirkungen sehr groß waren – das bedeutete, dass die Erklärung der dunklen Materie wieder auf dem Tisch lag“, sagt Leane.

Wenn diese neuesten Ergebnisse richtig sind, ist das eine große Sache.

Auf der linken Seite dieser Daten, die vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA gesammelt wurden, taucht ein faszinierendes Signal auf, das auf die „Vernichtung der dunklen Materie“ zurückzuführen sein könnte. Das Bild links zeigt das galaktische Zentrum in Gammastrahlen mit Energien zwischen 1 und 3,16 GeV. Rot zeigt die meiste Aktivität an und die Beschriftungen sind für Pulsare. Im Bild rechts sind alle diese Gammastrahlenquellen entfernt. Bildnachweis: T. Linden, Univ. von Chicago

„Wenn es wirklich dunkle Materie ist, wäre dies der erste Beweis dafür, dass dunkle Materie mit sichtbarer Materie durch andere Kräfte als die Schwerkraft interagiert“, sagt Leane. „Die Natur der Dunklen Materie ist derzeit eine der größten offenen Fragen der Physik. Die Identifizierung dieses Signals als Dunkle Materie könnte es uns ermöglichen, endlich die grundlegende Identität der Dunklen Materie aufzudecken. Egal wie der Überschuss ausfällt, wir werden etwas Neues über das Universum lernen.“

„Es ist insofern aufregend, als wir dachten, wir hätten die Möglichkeit eliminiert, dass es sich um dunkle Materie handelt“, sagte Slatyer in a Pressemitteilung . „Aber jetzt gibt es eine Lücke, einen systematischen Fehler in unserer Behauptung. Es öffnet die Tür wieder, damit das Signal von dunkler Materie kommt.“

Dieses neue Ergebnis wurde in der Ausgabe vom 11. Dezember der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

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