MIT fysiker återupptäcker möjligheten, som de tidigare hade slocknat, att en ljus explosion av gammastrålar i mitten av vår galax trots allt kan vara resultatet av mörk materia.

I åratal, fysiker har känt till ett mystiskt överskott av energi i Vintergatans centrum, i form av gammastrålar — de mest energiska vågorna i det elektromagnetiska spektrumet. Dessa strålar produceras vanligtvis av de hetaste, mest extrema objekt i universum, som supernovor och pulsarer.

Gammastrålar finns över Vintergatans skiva, och för det mesta förstår fysiker sina källor. Men det finns ett sken av gammastrålar i Vintergatans centrum, känd som det galaktiska centrumöverskottet, eller GCE, med egenskaper som är svåra för fysiker att förklara med tanke på vad de vet om fördelningen av stjärnor och gas i galaxen.

Det finns två ledande möjligheter för vad som kan producera detta överskott:en befolkning med hög energi, snabbt roterande neutronstjärnor, kända som pulsarer, eller, mer lockande, ett koncentrerat moln av mörk materia, kolliderar med sig själv för att producera en mängd gammastrålar.

2015, ett team från MIT-Princeton University, inklusive docent i fysik Tracy Slatyer och postdoktorerna Benjamin Safdi och Wei Xue, kom ner till förmån för pulsarer. Forskarna hade analyserat observationer av det galaktiska centret tagna av Fermi Gamma-ray Space Telescope, med hjälp av en "bakgrundsmodell" som de utvecklade för att beskriva alla partikelinteraktioner i galaxen som skulle kunna producera gammastrålar. De drog slutsatsen, ganska definitivt, att GCE troligen var ett resultat av pulsarer, och inte mörk materia.

Dock, i nytt arbete, leds av MIT postdoc Rebecca Leane, Slatyer har sedan dess omvärderat detta påstående. I ett försök att bättre förstå 2015 års analytiska metod, Slatyer och Leane fann att modellen de använde faktiskt kunde "luras" för att ge fel resultat. Specifikt, forskarna körde modellen på faktiska Fermi-observationer, som MIT-Princeton-teamet gjorde 2015, men den här gången lade de till en falsk extra signal om mörk materia. De upptäckte att modellen misslyckades med att fånga denna falska signal, och även när de höjde signalen, modellen fortsatte att anta att pulsarer var kärnan i överskottet.

Resultaten, publiceras idag i tidskriften Fysiska granskningsbrev , lyfta fram en "felmodelleringseffekt" i 2015 års analys och återuppta vad många trodde var ett avslutat ärende.

"Det är spännande eftersom vi trodde att vi hade eliminerat möjligheten att detta är mörk materia, " säger Slatyer. "Men nu finns det ett kryphål, ett systematiskt fel i påståendet vi gjorde. Det öppnar dörren igen för signalen att komma från mörk materia."

Vintergatans centrum:kornig eller slät?

Medan Vintergatans galax mer eller mindre liknar en platt skiva i rymden, överskottet av gammastrålar i dess centrum upptar ett mer sfäriskt område, sträcker sig cirka 5, 000 ljusår i alla riktningar från det galaktiska centrumet.

I sin studie från 2015, Slatyer och hennes kollegor utvecklade en metod för att avgöra om profilen för denna sfäriska region är slät eller "kornig". De resonerade att om pulsarer är källan till överskottet av gammastrålar, och dessa pulsarer är relativt ljusa, gammastrålningen de sänder ut borde befinna sig i ett sfäriskt område som, när avbildad, ser grynig ut, med mörka luckor mellan de ljusa fläckarna där pulsarerna sitter.

Om, dock, mörk materia är källan till överskottet av gammastrålar, det sfäriska området ska se jämnt ut:"Varje siktlinje mot det galaktiska centrumet har förmodligen mörk materia partiklar, så jag borde inte se några luckor eller kalla fläckar i signalen, " förklarar Slatyer.

Hon och hennes team använde en bakgrundsmodell av all materia och gas i galaxen, och alla partikelinteraktioner som kan uppstå för att producera gammastrålar. De övervägde modeller för GCE:s sfäriska region som var korniga å ena sidan eller släta å andra sidan, och utarbetade en statistisk metod för att se skillnaden mellan dem. De matade sedan in i modellen faktiska observationer av det sfäriska området, tagen av Fermi-teleskopet, och tittade för att se om dessa observationer passar mer med en slät eller kornig profil.

"Vi såg att det var 100 procent kornigt, och så sa vi, 'åh, mörk materia kan inte göra det, så det måste vara något annat, "" minns Slatyer. "Min förhoppning var att detta bara skulle vara den första av många studier av det galaktiska centrumområdet med liknande tekniker. Men till 2018, de viktigaste korskontrollerna av metoden var fortfarande de vi hade gjort 2015, vilket gjorde mig ganska nervös över att vi kanske har missat något."

Plantera en falsk

Efter att ha kommit till MIT 2017, Leane blev intresserad av att analysera gammastrålningsdata. Slatyer föreslog att de skulle försöka testa robustheten hos den statistiska metoden som användes 2015, att utveckla en djupare förståelse för resultatet. De två forskarna ställde den svåra frågan:Under vilka omständigheter skulle deras metod gå sönder? Om metoden tålde förhör, de kan vara säkra på det ursprungliga resultatet för 2015. Om, dock, de upptäckte scenarier där metoden kollapsade, det skulle tyda på att något var fel med deras tillvägagångssätt, och kanske kan mörk materia fortfarande vara i centrum av överskottet av gammastrålar.

Leane och Slatyer upprepade MIT-Princeton-teamets tillvägagångssätt från 2015, men istället för att mata in data i modellen Fermi, forskarna ritade i huvudsak en falsk karta över himlen, inklusive en signal om mörk materia, och pulsarer som inte var associerade med överskottet av gammastrålar. De matade in den här kartan i modellen och fann att, trots att det finns en mörk materia-signal inom det sfäriska området, modellen drog slutsatsen att denna region sannolikt var kornig och därför dominerad av pulsarer. Detta var den första ledtråden, Slatyer säger, att deras metod "inte var idiotsäker".

På en konferens för att presentera sina resultat hittills, Leane underhöll en fråga från en kollega:Tänk om hon lade till en falsk signal om mörk materia som kombinerades med riktiga observationer, snarare än med en falsk bakgrundskarta?

Teamet antog utmaningen, matar modellen med data från Fermi-teleskopet, tillsammans med en falsk signal om mörk materia. Trots den avsiktliga anläggningen, deras statistiska analys missade återigen signalen om mörk materia och gav en kornig, pulsarliknande bild. Även när de höjde signalen för mörk materia till fyra gånger storleken på det faktiska överskottet av gammastrålning, deras metod misslyckades med att se det.

"Vid det stadiet, Jag var ganska exalterad, eftersom jag visste att implikationerna var mycket stora – det betydde att förklaringen av mörk materia var tillbaka på bordet, " säger Leane.

Hon och Slatyer arbetar för att bättre förstå partiskheten i deras tillvägagångssätt, och hoppas kunna avhjälpa denna fördom i framtiden.

"Om det är riktigt mörk materia, detta skulle vara det första beviset på att mörk materia interagerar med synlig materia genom andra krafter än gravitationen, " säger Leane. "Mörkt materias natur är en av de största öppna frågorna inom fysiken för tillfället. Att identifiera denna signal som mörk materia kan tillåta oss att äntligen avslöja mörk materias grundläggande identitet. Oavsett vad överskottet visar sig vara, vi kommer att lära oss något nytt om universum."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.