Ett överskott av gammastrålar som kommer från mitten av Vintergatan beror sannolikt på en population av snabbt snurrande, mycket täta och starkt magnetiserade neutronstjärnor, kallas pulsarer. Kredit:NASA/CXC/University of Massachusetts/D. Wang et al.; Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
En mystisk gammastrålning i mitten av Vintergatan orsakas troligen av pulsarer – de otroligt täta, snabbt snurrande kärnor av kollapsade gamla stjärnor som var upp till 30 gånger mer massiva än solen. Det är slutsatsen av en ny analys av ett internationellt team av astrofysiker, inklusive forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory. Fynden ställer tvivel på tidigare tolkningar av signalen som ett potentiellt tecken på mörk materia - en form av materia som står för 85 procent av all materia i universum men som hittills har undvikit upptäckt.
"Vår studie visar att vi inte behöver mörk materia för att förstå gammastrålningen från vår galax, " sa Mattia Di Mauro från Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), ett gemensamt institut för Stanford University och SLAC. "Istället, vi har identifierat en population av pulsarer i området runt det galaktiska centrumet, som kastar nytt ljus över Vintergatans bildningshistoria."
Di Mauro ledde analysen för Fermi LAT Collaboration, ett internationellt team av forskare som tittade på glöden med Large Area Telescope (LAT) på NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope, som har kretsat runt jorden sedan 2008. LAT – ett känsligt "öga" för gammastrålar, den mest energiska formen av ljus – tänktes ut och monterades på SLAC, som också är värd för dess driftcenter.
Samarbetets resultat, inlämnat till The Astrofysisk tidskrift för publicering, finns som förtryck.
En mystisk glöd
Mörk materia är ett av den moderna fysikens största mysterier. Forskare vet att mörk materia existerar eftersom den böjer ljus från avlägsna galaxer och påverkar hur galaxer roterar. Men de vet inte vad ämnet är gjort av. De flesta forskare tror att den består av ännu inte upptäckta partiklar som nästan aldrig interagerar med vanlig materia annat än genom gravitationen, gör det mycket svårt att upptäcka dem.
När astrofysiker modellerar Vintergatans gammastrålningskällor efter bästa kunskap, de lämnas med en överflödig glöd i det galaktiska centrumet. Vissa forskare har hävdat att signalen kan antyda hypotetiska partiklar av mörk materia. Dock, det kan också ha andra kosmiska ursprung. Kredit:NASA; A. Mellinger/Central Michigan University; T. Linden/University of Chicago
Ett sätt som vetenskapliga instrument kan få en glimt av mörk materia partiklar är när partiklarna antingen sönderfaller eller kolliderar och förstör varandra. "Vidstuderade teorier förutspår att dessa processer skulle producera gammastrålar, " sa Seth Digel, chef för KIPAC:s Fermi-grupp. "Vi söker efter denna strålning med LAT i områden av universum som är rika på mörk materia, såsom mitten av vår galax."
Tidigare studier har verkligen visat att det kommer fler gammastrålar från det galaktiska centret än förväntat, underblåsning av vissa vetenskapliga artiklar och mediarapporter som tyder på att signalen kan antyda eftersökta partiklar av mörk materia. Dock, gammastrålar produceras i ett antal andra kosmiska processer, som måste uteslutas innan någon slutsats om mörk materia kan dras. Detta är särskilt utmanande eftersom det galaktiska centret är extremt komplext, och astrofysiker vet inte alla detaljer om vad som händer i den regionen.
De flesta av Vintergatans gammastrålar har sitt ursprung i gas mellan stjärnorna som lyser upp av kosmiska strålar – laddade partiklar som produceras i kraftiga stjärnexplosioner, kallas supernovor. Detta skapar en diffus gammastrålning som sträcker sig över hela galaxen. Gammastrålar produceras också av supernovarester, pulsarer – kollapsade stjärnor som sänder ut "strålar" av gammastrålar som kosmiska fyrar – och mer exotiska föremål som uppträder som ljuspunkter.
"Två nyligen genomförda studier av team i USA och Nederländerna har visat att överskottet av gammastrålning i det galaktiska centrumet är fläckigt, inte jämn som vi skulle förvänta oss för en mörk materia-signal, " sa KIPACs Eric Charles, som bidrog till den nya analysen. "Dessa resultat tyder på att fläckarna kan bero på punktkällor som vi inte kan se som individuella källor med LAT eftersom tätheten av gammastrålkällor är mycket hög och det diffusa skenet är ljusast i det galaktiska centrumet."
Rester av antika stjärnor
Den nya studien tar de tidigare analyserna till nästa nivå, vilket visar att den spräckliga gammastrålningssignalen överensstämmer med pulsarer.
Ett överskott av gammastrålar som kommer från mitten av Vintergatan har gett hopp om att signalen kan härröra från hypotetiska partiklar av mörk materia som kolliderar och förstör varandra (vänster). Strålningen kan också produceras av pulsarer – snabbt roterande neutronstjärnor med starka magnetfält (höger). Kredit:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Med tanke på att cirka 70 procent av alla punktkällor i Vintergatan är pulsarer, de var de mest troliga kandidaterna, " Di Mauro sa. "Men vi använde en av deras fysiska egenskaper för att komma till vår slutsats. Pulsarer har mycket distinkta spektra – det vill säga, deras emissioner varierar på ett specifikt sätt med energin hos de gammastrålar de sänder ut. Med hjälp av formen på dessa spektra, vi kunde modellera ljuset från det galaktiska centret korrekt med en befolkning på cirka 1, 000 pulsarer och utan att introducera processer som involverar mörk materia partiklar."
Teamet planerar nu uppföljningsstudier med radioteleskop för att avgöra om de identifierade källorna sänder ut sitt ljus som en serie korta ljuspulser – varumärket som ger pulsarer deras namn.
Upptäckter i gloria av stjärnor runt galaxens mitt – den äldsta delen av Vintergatan – avslöjar också detaljer om utvecklingen av vårt galaktiska hem, precis som fornlämningar lär arkeologer om mänsklighetens historia.
"Isolerade pulsarer har en typisk livstid på 10 miljoner år, som är mycket kortare än åldern för de äldsta stjärnorna nära det galaktiska centrumet, ", sa Charles. "Det faktum att vi fortfarande kan se gammastrålar från den identifierade pulsarpopulationen idag tyder på att pulsarerna är i binära system med följeslagare, varifrån de läcker energi. Detta förlänger livslängden för pulsarerna enormt."
Mörk materia förblir svårfångad
De nya resultaten lägger till andra data som utmanar tolkningen av gammastrålningsöverskottet som en mörk materiasignal.
Simulerad fördelning av gammastrålningskällor i Vintergatans inre 40 x 40 graders region med det galaktiska centrumet i mitten. Kartan visar pulsarer på den galaktiska skivan (röda stjärnor) och i galaxens centrala område (svarta cirklar). Kredit:NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration
"Om signalen berodde på mörk materia, vi förväntar oss att se den också i andra galaxers centrum, ", sa Digel. "Signalen borde vara särskilt tydlig i dvärggalaxer som kretsar runt Vintergatan. Dessa galaxer har väldigt få stjärnor, har vanligtvis inte pulsarer och hålls samman eftersom de har mycket mörk materia. Dock, vi ser inga betydande gammastrålning från dem."
Forskarna tror att en nyligen upptäckt stark gammastrålning i mitten av Andromedagalaxen, den stora galaxen närmast Vintergatan, kan också orsakas av pulsarer snarare än mörk materia.
Men sista ordet kanske inte är sagt. Även om Fermi-LAT-teamet studerade ett stort område på 40 grader gånger 40 grader runt Vintergatans galaktiska centrum (fullmånens diameter är ungefär en halv grad), den extremt höga tätheten av källor i de innersta fyra graderna gör det mycket svårt att se enskilda och utesluta en jämn, mörk materia-liknande gammastrålningsfördelning, lämnar begränsat utrymme för mörk materia-signaler att gömma sig.
Detta arbete finansierades av NASA och DOE Office of Science, samt byråer och institut i Frankrike, Italien, Japan och Sverige.
