Астрономы долгое время были озадачены двумя странными явлениями в сердце нашей галактики. Во-первых, газ в центральной молекулярной зоне (CMZ) – плотном и хаотичном регионе вблизи ядра Млечного Пути – оказывается ионизированным (то есть электрически заряженным из-за потери электронов). Во-вторых, телескопы зафиксировали загадочное гамма-излучение с энергией 511 килоэлектронвольт (кэВ), что соответствует энергии покоя электрона. Интересно, что такие гамма-лучи возникают, когда электрон и его античастица – позитрон, сталкиваются и аннигилируют, вспыхивая светом. Причины обоих эффектов оставались неясными, несмотря на десятилетия наблюдений.

В новом исследовании учёные показали, что оба явления могут быть связаны с одним из самых неуловимых компонентов Вселенной: тёмной материей. В частности, выдвинута гипотеза о существовании новой, менее массивной формы тёмной материи, чем та, которую обычно ищут астрономы, и именно она может быть причиной этих загадок. Центральная молекулярная зона, простирающаяся почти на 700 световых лет, содержит один из самых плотных молекулярных газов в галактике. На протяжении многих лет учёные наблюдали, что этот регион необычайно ионизирован, то есть молекулы водорода там расщепляются на заряженные частицы гораздо быстрее, чем ожидалось. Обычно это объясняется воздействием космических лучей и света звёзд, бомбардирующих газ. Однако, похоже, что этих источников недостаточно для объяснения наблюдаемых уровней ионизации. Другая загадка – гамма-излучение 511 кэВ – впервые обнаружена в 1970-х годах, но её источник до сих пор чётко не установлен. Предлагались различные кандидаты, включая сверхновые, массивные звёзды, чёрные дыры и нейтронные звёзды, но ни один из них полностью не объясняет характер или интенсивность излучения.

Исследователи задались вопросом: могут ли оба явления быть вызваны одним и тем же скрытым процессом? Тёмная материя составляет около 85% материи во Вселенной, но она не излучает и не поглощает свет. Хотя её гравитационное воздействие очевидно, учёные до сих пор не знают, из чего она состоит. Одна из возможностей, часто упускаемая из виду, заключается в том, что частицы тёмной материи могут быть очень лёгкими, с массой всего в несколько миллионов электронвольт – гораздо легче протона – и при этом играть значительную роль в космосе. Такие лёгкие кандидаты в тёмную материю обычно и называют суб-ГэВ (гигаэлектронвольт) частицами тёмной материи. Предполагается, что эти частицы могут взаимодействовать со своими античастицами. В новом исследовании изучено, что произойдет, если такие лёгкие частицы столкнутся со своими античастицами в галактическом центре и аннигилируют.

В плотном газе центральной молекулярной зоны эти низкоэнергетические частицы быстро теряют энергию и очень эффективно ионизируют окружающие молекулы водорода, выбивая из них электроны. Из-за высокой плотности региона частицы не распространяются далеко, а высвобождают большую часть своей энергии локально, что хорошо соответствует наблюдаемому профилю ионизации – распределению ионизации в пространстве. Детальное моделирование показало, что этот простой процесс – аннигиляция частиц тёмной материи с образованием электронов и позитронов – естественным образом объясняет уровни ионизации, наблюдаемые в центральной молекулярной зоне. Более того, требуемые свойства тёмной материи, такие как масса и сила взаимодействия, не противоречат никаким известным ограничениям, полученным из данных о ранней Вселенной. Таким образом, тёмная материя такого рода представляется вполне вероятным объяснением.

Если тёмная материя создает позитроны в центральной молекулярной зоне, то эти частицы в конечном итоге замедлятся и аннигилируют с электронами в окружающей среде, производя гамма-лучи с энергией ровно 511 кэВ. Это устанавливает прямую связь между ионизацией и загадочным гамма-излучением. Исследование показало, что тёмная материя может объяснить не только ионизацию, но и, возможно, часть гамма-излучения 511 кэВ. Это важное открытие позволяет предположить, что два сигнала могут исходить из одного и того же источника – лёгкой темной материи. Точная яркость линии 511 кэВ зависит от ряда факторов, включая эффективность образования позитронами связанных состояний с электронами и точное место их аннигиляции. Эти детали пока остаются не до конца изученными.

Исследование показало, что предсказанный профиль ионизации от темной материи на удивление ровный по всей центральной молекулярной зоне. Это существенно, поскольку наблюдаемая ионизация действительно распределена относительно равномерно. Точечные источники, такие как чёрная дыра в центре галактики или источники космических лучей, например сверхновые, не могут легко объяснить такое распределение. Однако равномерно распределенное гало тёмной материи вполне способно.

Будущие телескопы с лучшим разрешением смогут предоставить больше информации о пространственном распределении и взаимосвязи между линией 511 кэВ и скоростью ионизации в центральной молекулярной зоне. Тем временем дальнейшие наблюдения за CMZ могут помочь опровергнуть – или укрепить – гипотезу о тёмной материи.