Международная коллаборация H.E.S.S. не обнаружила признаков темной материи в 546 часах наблюдений за центром Млечного Пути. Исследователи искали узкую линию гамма-излучения, которая могла бы появиться при столкновении гипотетических частиц темной материи. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Темная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет, который способны зарегистрировать современные приборы. О ее существовании судят по гравитационному воздействию на обычное вещество, однако состав этой невидимой компоненты Вселенной до сих пор неизвестен.
Искали особый сигнал от частиц
Одна из популярных гипотез предполагает, что темная материя состоит из частиц, способных при встрече уничтожать друг друга, превращаясь в другие частицы. Среди возможных продуктов такого процесса — гамма-кванты, то есть очень энергичные фотоны.
Если подобное превращение действительно происходит, телескопы могут заметить характерный сигнал. Вместо равномерного распределения гамма-квантов по энергиям должна появиться узкая линия на определенном значении.
Именно такой сигнал специалисты H.E.S.S. искали в районе центра нашей галактики. Считается, что там темной материи особенно много.
«Темная материя в форме элементарных массивных электрослабых частиц (WIMP) остается одним из наиболее предпочтительных кандидатов для объяснения темной материи во Вселенной — от астрофизических до космологических масштабов», — рассказал Phys.org исследователь H.E.S.S. Эммануэль Мулен.
По его словам, команда больше 20 лет ищет WIMP в центре Млечного Пути. Это один из наиболее подходящих участков неба для поиска гамма-излучения от их аннигиляции.
Что увидели телескопы
H.E.S.S. состоит из нескольких телескопов в Намибии. Они не регистрируют гамма-кванты напрямую. Когда частица высокой энергии попадает в атмосферу Земли, она запускает каскад вторичных частиц. Они движутся через атмосферу и создают короткие вспышки черенковского света, которые и фиксируют телескопы.
Исследователи проанализировали 546 часов таких наблюдений, собранных с 2014 по 2020 год. По словам Алессандро Монтанари из H.E.S.S., это один из крупнейших доступных наборов данных наблюдений центра Млечного Пути с помощью подобных установок.
«Представьте сечение аннигиляции как размер частицы при столкновении с другой частицей. Они обе исчезают — точнее, превращаются во что-то другое, например в два упомянутых нами фотона», — объяснил ученый.
Однако ожидаемой гамма-линии в данных не оказалось. Статистически значимого сигнала команда не обнаружила.
Новые ограничения для кандидатов в темную материю
Отсутствие сигнала тоже дает физикам полезную информацию. По данным H.E.S.S. удалось установить верхние пределы для вероятности аннигиляции тяжелых частиц темной материи. Иными словами, исследователи смогли сузить диапазон параметров, при которых такой процесс еще может оставаться незаметным.
Для модели распределения темной материи Einasto команда получила самые строгие на сегодняшний день ограничения на искомый гамма-сигнал. Результаты также впервые в рамках рассмотренных моделей создают проблемы для гипотезы о термальном хиггсино как кандидате в темную материю.
«Мы получили самый низкий верхний предел для этого параметра в широком диапазоне возможных масс частиц темной материи», — сказал Монтанари.
Масса неизвестна, поэтому исследователи проверяли все значения, которые можно охватить энергетическим диапазоном телескопов.
Следующий шаг связан с более чувствительными гамма-телескопами. В частности, строящаяся обсерватория Cherenkov Telescope Array сможет проводить такие наблюдения с большей чувствительностью, лучшим угловым и энергетическим разрешением.
По словам Мулена, данные H.E.S.S. станут основой для будущих наблюдений центра Млечного Пути с помощью CTAO и позволят проверить гипотезы о тяжелых WIMP с еще большей точностью.