Astrofysiker har kommit ett steg närmare att förstå ursprunget till en svag glöd av gammastrålar som täcker natthimlen. De fann att det här ljuset är ljusare i områden som innehåller mycket materia och svagare där materien är glesare - en korrelation som kan hjälpa dem att begränsa egenskaperna hos exotiska astrofysiska föremål och osynlig mörk materia.

Glöden, känd som olöst gammastrålningsbakgrund, härrör från källor som är så svaga och långt borta att forskare inte kan identifiera dem individuellt. Än, det faktum att platserna där dessa gammastrålar har sitt ursprung stämmer överens med där massan finns i det avlägsna universum kan vara en viktig pusselbit för att identifiera dessa källor.

"Bakgrunden är summan av många saker" där ute "som producerar gammastrålar. Efter att ha kunnat mäta dess korrelation med gravitationell linsering - små snedvridningar av bilder av långt galaxer som produceras av materiens fördelning - hjälper vi tar isär dem, "säger Simone Ammazzalorso från universitetet i Turin och National Institute for Nuclear Physics (INFN) i Italien, som ledde analysen.

Studien använde ett års data från Dark Energy Survey (DES), som tar optiska bilder av himlen, och nio års data från Fermi Gamma-ray Space Telescope, som observerar kosmiska gammastrålar medan den kretsar runt jorden.

"Det som är riktigt spännande är att korrelationen vi mätte inte helt matchar våra förväntningar, "sade Panofsky -kollegan Daniel Gruen från Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University, som ledde analysen för DES -samarbetet. "Detta kan innebära att vi antingen måste justera våra befintliga modeller för objekt som avger gammastrålning, eller det kan antyda andra källor, som mörk materia. "

Studien godkändes idag för publicering i Fysiska granskningsbrev .

Två känsliga "ögon" på himlen

Gammastrålning, den mest energiska formen av ljus, produceras i ett brett spektrum av kosmiska fenomen - ofta extremt våldsamma, som exploderande stjärnor, täta neutronstjärnor som roterar i höga hastigheter och kraftfulla partiklar som skjuter ut från aktiva galaxer vars centrala supermassiva svarta hål tappar upp materia.

En annan potentiell källa är osynlig mörk materia, som antas utgöra 85 procent av all materia i universum. Det kan producera gammastrålning när partiklar av mörk materia möts och förstör varandra i rymden.

Large Area Telescope (LAT) ombord på Fermi -rymdfarkosten är ett mycket känsligt "öga" för gammastrålning, och dess data ger en detaljerad karta över gammastrålkällor på himlen.

Men när forskare subtraherar alla källor de redan känner, deras karta är långt ifrån tom; den innehåller fortfarande en gammastrålningsbakgrund vars ljusstyrka varierar från region till region.

"Tyvärr har gammastrålningen ingen etikett som berättar var de kommer ifrån, "Gruen sa." Det är därför vi behöver ytterligare information för att avslöja deras ursprung. "

Det är där DES kommer in. Med sin 570-megapixel Dark Energy Camera, monterad på Victor M. Blanco 4-meters teleskop vid Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, den tar bilder av hundratals miljoner galaxer. Deras exakta former berättar för forskare hur materiens tyngdkraft böjer ljus i universum - en effekt som visar sig som små snedvridningar i galaxbilder, känd som svag gravitationslins. Baserat på dessa uppgifter, DES -forskarna skapar de mest detaljerade kartorna ännu av materia i kosmos.

I den nya studien, forskarna överlagrade Fermi- och DES -kartorna, som avslöjade att de två inte är oberoende. Den olösta gammastrålningsbakgrunden är mer intensiv i regioner med mer materia och mindre intensiv i regioner med mindre materia.

"Resultatet i sig är inte förvånande. Vi förväntar oss att det finns fler gammastrålproducerande processer i regioner som innehåller mer materia, och vi har förutspått denna korrelation ett tag, "sade Nicolao Fornengo, en av Ammazzalorsos handledare i Turin. "Men nu har vi lyckats faktiskt upptäcka denna korrelation för första gången, och vi kan använda den för att förstå vad som orsakar gammastrålens bakgrund. "

Potentiell antydan om mörk materia

En av de mest troliga källorna till gammastrålglödet är mycket avlägsna blazarer-aktiva galaxer med supermassiva svarta hål i sina centrum. När de svarta hålen sväljer omgivande materia, de spyder höghastighetsstrålar av plasma och gammastrålar som, om strålarna pekar på oss, upptäcks av rymdfarkosten Fermi.

Blazars skulle vara det enklaste antagandet, men de nya uppgifterna tyder på att en enkel population av blazarer kanske inte räcker för att förklara den observerade korrelationen mellan gammastrålning och massdistribution, sa forskarna.

"Faktiskt, våra modeller för utsläpp från blazars kan ganska väl förklara den lågenergiska delen av korrelationen, men vi ser avvikelser för högenergigammastrålar, "Gruen sa." Det kan betyda flera saker:Det kan tyda på att vi behöver förbättra våra modeller för blazar eller att gammastrålningarna kan komma från andra källor. "

En av dessa andra källor kan vara mörk materia. En ledande teori förutsäger att de mystiska sakerna är gjorda av svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMP:er, som skulle kunna utplåna varandra i en blixt av gammastrålar när de kolliderar. Gammastrålning från vissa materierika kosmiska regioner kan därför härröra från dessa partikelinteraktioner.

Tanken att leta efter gammastrålningssignaturer för förintande WIMP är inte en ny. Under de senaste åren har forskare har sökt efter dem på olika platser som man tror innehåller mycket mörk materia, inklusive mitten av Vintergatan och Vintergatans medföljande galaxer. Dock, dessa sökningar har inte producerat identifierbara mörk materiesignaler än. De nya resultaten kan användas för ytterligare sökningar som testar WIMP -hypotesen.

Planerar nästa steg

Även om sannolikheten att den uppmätta korrelationen bara är en slumpmässig effekt bara är ungefär en av tusen, forskarna behöver mer data för en avgörande analys.

"Dessa resultat, för första gången att ansluta våra kartor över gammastrålar och materia, är mycket intressanta och har mycket potential, men för närvarande är anslutningen fortfarande relativt svag, och man måste tolka uppgifterna noggrant, "säger KIPAC -direktören Risa Wechsler, som inte var inblandad i studien.

En av de viktigaste begränsningarna för den aktuella analysen är mängden tillgänglig objektivdata, Sa Gruen. "Med data från 40 miljoner galaxer, DES har redan drivit detta till en ny nivå, och det var därför vi kunde göra analysen i första hand. Men vi behöver ännu bättre mått, " han sa.

Med nästa dataframgivning, DES kommer att tillhandahålla linsdata för 100 miljoner galaxer, och det framtida Large Synoptic Survey Telescope (LSST) kommer att titta på miljarder galaxer i ett mycket större område av himlen.

"Vår studie visar med faktiska data att vi kan använda korrelationen mellan fördelningen av materia och gammastrålar för att lära sig mer om vad som orsakar gammastrålningsbakgrunden, "Fornengo sa." Med mer DES -data, LSST kommer online och andra projekt som rymdteleskopet Euclid i horisonten, vi kommer att kunna gå mycket djupare i vår förståelse av de potentiella källorna. "

Sedan, vetenskapsmännen kanske kan berätta om en del av den gammastrålglansen härrör från mörk materiens självförstörelse.

DES är ett internationellt projekt med över 400 forskare från 25 institutioner i 7 länder, som har samlats för att genomföra undersökningen. Delar av projektet finansierades av DOE:s Office of Science och National Science Foundation. NASA:s rymdteleskop Fermi Gamma-ray är ett internationellt rymdobservatorium med flera organ. Analysen använde Fermi-LAT-data som offentliggjordes av det internationella LAT-samarbetet.