Поиски тёмной материи получили один из самых любопытных результатов последних лет. Китайские астрофизики обнаружили в архивных данных космического телескопа Fermi узкую линию гамма-излучения с энергией около 43,2 ГэВ.

Подобный сигнал теоретически может возникать при столкновении и взаимном уничтожении частиц тёмной материи. Однако говорить об открытии пока рано: статистическая значимость результата не достигла обязательного для физики порога.

Тёмную материю ищут по тому, что она оставляет после себя

Саму тёмную материю увидеть обычным телескопом невозможно. Она не светится и практически не взаимодействует с электромагнитным излучением.

О её существовании судят прежде всего по гравитационному влиянию.

Например, звёзды во внешних областях галактик движутся так, будто вокруг находится значительно больше массы, чем можно объяснить видимыми звёздами и газом. Аналогичная картина наблюдается в скоплениях галактик и при гравитационном линзировании.

Одна из популярных гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из WIMP — слабо взаимодействующих массивных частиц.

Если две такие частицы сталкиваются и аннигилируют, часть энергии может превращаться в гамма-кванты.

Именно поэтому гамма-телескопы используются как один из инструментов поиска.

Учёные изучили 15,5 года наблюдений

Для анализа использовался огромный архив Fermi-LAT — прибора, который наблюдает гамма-излучение из космоса.

Исследователи обработали данные за 15,5 года и сосредоточились на 13 близких массивных скоплениях галактик.

Выбор таких объектов не случаен. Скопления содержат колоссальные объёмы тёмной материи, поэтому вероятность заметить продукты её предполагаемого взаимодействия там выше.

Наиболее выраженный сигнал появился в направлениях трёх скоплений — Девы, Печи и Змееносца.

При энергии около 43,2 ГэВ возникла сравнительно узкая спектральная линия.

Обычные астрофизические источники чаще создают широкое распределение энергий. Узкая линия поэтому интереснее: теоретически она может быть своеобразным энергетическим «отпечатком» конкретного процесса.

Результат достиг 4,3 сигма

После проверки возможных инструментальных эффектов значимость сигнала для трёх наиболее интересных скоплений составила около 4,3σ.

Для всей выборки она оказалась примерно 3,7σ.

В повседневной жизни такие показатели выглядели бы очень убедительно, но в физике элементарных частиц требования значительно строже.

Стандартным порогом открытия считается 5σ. При таком уровне вероятность получить похожий результат из-за случайной статистической флуктуации становится чрезвычайно мала.

Поэтому 4,3σ — сильный повод продолжать наблюдения, но не основание объявлять, что тёмная материя наконец обнаружена.

Именно это различие особенно важно: речь идёт о возможном следе, а не о найденной частице.

Сигнал может иметь другое объяснение

Даже если линия около 43 ГэВ подтвердится, её происхождение ещё предстоит установить.

Она может быть связана с неизвестным или плохо изученным астрофизическим источником. Возможны и более сложные сценарии тёмной материи, отличающиеся от стандартной модели WIMP.

Учёным необходимо проверить, появляется ли тот же сигнал в данных других инструментов и в других областях неба.

Кроме того, важна повторяемость.

Если новые наблюдения увеличат объём статистики, настоящая линия должна становиться всё убедительнее. Если же это случайность, её значимость со временем, скорее всего, начнёт снижаться.

Так уже происходило с некоторыми предыдущими кандидатами.

Почему 43 ГэВ так заинтересовали физиков

Гамма-квант такой энергии намного мощнее обычного видимого света.

Для сравнения, энергия фотонов видимого диапазона измеряется единицами электронвольт, тогда как здесь речь идёт о десятках миллиардов электронвольт.

Если подобные фотоны возникают в результате аннигиляции частиц, их энергия может дать подсказку о свойствах самих частиц тёмной материи.

Но прямое соответствие не всегда простое. Всё зависит от конкретного механизма распада или аннигиляции и от того, какие промежуточные частицы участвуют в процессе.

Поэтому даже подтверждение линии станет началом новой серии расчётов, а не финальной точкой.

Тёмная материя остаётся одной из главных загадок физики

По современным космологическим моделям обычное вещество — звёзды, планеты, газ и всё, из чего состоим мы сами, — составляет лишь небольшую часть вещества Вселенной.

Большая доля приходится на тёмную материю.

При этом за десятилетия исследований ни одна предполагаемая частица тёмной материи так и не была напрямую зарегистрирована в лаборатории.

Новый гамма-сигнал интересен именно потому, что появился не в одном объекте и сохранился после длительного анализа накопленных данных.

Если независимые наблюдения подтвердят линию и её значимость превысит 5σ, физики получат чрезвычайно сильный аргумент в пользу конкретной природы тёмной материи.

Пока же корректная формулировка значительно осторожнее: исследователи нашли один из наиболее интригующих кандидатов на её косвенный след, но сама тёмная материя всё ещё остаётся ненайденной.