Таинственный рентгеновский сигнал указывает на темную материю

В 2014 году группа астрофизиков сообщила об обнаружении необычной эмиссионной линии в рентгеновском свете кластера Персея, скопления галактик на расстоянии 240 миллионов световых лет от Земли. Новая интерпретация этого обнаружения и последующих наблюдений может дать объяснение озадачивающего сигнала. Если это подтвердится будущими наблюдениями, это может стать важным шагом вперед в понимании природы таинственного, невидимого вещества, составляющего около 85% материи во Вселенной.

«Мы ожидаем, что наш результат будет либо очень важным, либо полной ошибкой. Я не думаю, что есть простые пути, когда вы ищете ответы на один из самых больших вопросов в науке », — сказал д-р Джозеф Конлон, исследователь из Оксфордского университета и ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Физический обзор (препринт arXiv.org).

История этой работы началась в 2014 году, когда астроном Гарвард-Смитсонов Эска Бюльбюль и соавторы обнаружили странную эмиссионную линию с энергией 3,5 килоэлектронвольт (keV) в рентгеновских спектрах скопления Персея, наблюдаемую рентгеновским телескопом Чандра  и космическим аппаратом XMM-Newton ESA.

Интенсивность эмиссионной линии 3,5 кэВ очень трудно, если не невозможно, объяснить в терминах ранее наблюдаемых или предсказанных признаков астрономических объектов, и поэтому было предложено существование темной материи.

Доктор Бюльбюль и его коллеги также сообщили о существовании линии 3,5 кэВ в исследовании 73 других скоплений галактик.

Сюжет этой истории темной материи стал интереснее, когда другая группа, возглавляемая исследователем Лейденского университета Алексеем Боярским, сообщила данные об эмиссионной линии на 3,5 кэВ в наблюдениях XMM-Newton Галактики Андромеды и окраине кластера Персея, подтверждая предыдущую результат.

Однако эти два результата были спорными, а другие астрономы позже обнаруживали линию 3,5 кэВ при наблюдении за другими объектами, а некоторые не смогли ее обнаружить.

Дискуссия, по-видимому, была решена в 2016 году, когда спутник Hitomi JAXA не смог обнаружить линию 3,5 кэВ в кластере Персея.

«Можно подумать, что, когда Хитоми не увидел линию 3,5 кэВ, которую мы обнаружили, мы бы просто «выбросили полотенце» для этой линии расследования», — сказал исследователь Оксфорд Др. Франческа Дей, соавтор текущего исследования.

«Напротив, здесь, как и в любой хорошей истории, произошел интересный поворот сюжета».

Д-р Конлон, д-р Дэй и коллеги отметили, что у Хитоми были намного более неясные образы, чем у Чандры, поэтому его данные о кластере Персея на самом деле состоят из смеси рентгеновских сигналов из двух источников: диффузной составляющей горячего газа, охватывающей центральной галактики кластера и рентгеновского излучения вблизи сверхмассивной черной дыры в этой галактике. Более четкое видение Чандры может отделить вклад от двух регионов.

Бюльбюль и др. изолировали рентгеновский сигнал от горячего газа путем удаления точечных источников из их анализа, в том числе рентгеновских лучей из материала вблизи сверхмассивной черной дыры.

Чтобы проверить, имеет ли значение это различие, команда доктора Конлона повторно проанализировала данные Чандры от черной дыре в центре скопления Персей, полученные в 2009 году.

Они обнаружили что-то удивительное: доказательства дефицита, а не избыток рентгеновских лучей на 3,5 кэВ. Это говорит о том, что что-то в кластере Персея поглощает рентгеновские лучи.

Когда команда смоделировала спектр Хитоми, добавив эту линию поглощения к линии излучения горячего газа, наблюдаемой с Chandra и XMM-Newton, они не нашли доказательств в суммарном спектре для поглощения или излучения рентгеновских лучей при 3,5 кэВ, что согласуется с наблюдения Хитоми.

Задача состоит в том, чтобы объяснить это поведение: обнаружение поглощения рентгеновского излучения при наблюдении за черной дырой и излучении рентгеновского излучения при той же энергии при рассмотрении горячего газа под большими углами от черной дыры.

На самом деле такое поведение хорошо известно астрономам, которые изучают звезды и облака газа с помощью оптических телескопов.

Свет от звезды, окруженной облаком газа, часто показывает линии поглощения, возникающие, когда звездный свет определенной энергии поглощается атомами в газовом облаке. Абсорбция удаляет атомы от низкого до высокого энергетического состояния. Атом быстро возвращается в низкое энергетическое состояние с испусканием света определенной энергии, но свет переизлучается во всех направлениях, создавая чистую потерю света на удельной энергии — линии поглощения — в наблюдаемом спектре звезды.

Напротив, наблюдение облака в направлении от звезды обнаружило бы только переизлучаемый или флуоресцентный свет с определенной энергией, который проявлялся бы как линия излучения.

Команда доктора Конлона предлагает в докладе, что частицы темной материи могут быть как атомы, имеющие два энергетических состояния, разделенных 3,5 кэВ.

Если это так, можно было бы наблюдать линию поглощения при 3,5 кэВ при наблюдении под углами, близкими к направлению черной дыры, и эмиссионную линию при рассмотрении горячего газа кластера на больших углах от черной дыры.

«Это не простая картина для понимания, но вполне возможно, что мы нашли способ объяснить необычные рентгеновские сигналы, поступающие от Персея, так и выявить намек на то, что на самом деле есть темная материя», — сказал соавтор доктор Николас Дженнингс, также из Оксфордского университета.