En smal gammastrålelinje kan pege mod mørkt stof – men beviset mangler stadig

En ny analyse af 15,5 års data fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope peger på et smalt overskud af gammastråling ved cirka 43,2 GeV. Forskerne undersøgte 13 nærliggende, massive galaksehobe, men signalet blev især fundet i retning af Virgo, Fornax og Ophiuchus. 133

Det er et interessant muligt tegn på mørkt stof af typen WIMP – svagt vekselvirkende massive partikler – men det er vigtigt at holde fast i forskellen mellem et lovende signal og en bekræftet opdagelse.

Hvad fandt forskerne?

I de tre galaksehobe, som ifølge modellerne har de største såkaldte J-faktorer – et mål for, hvor stærkt et forventet signal fra mørkt stofs annihilation bør være – fandt forskerne en smal, linjelignende struktur i energispektret. Den havde en teststatistik på cirka 30, og den rapporterede globale signifikans var omkring 4,3 sigma. 316

En gammastrålelinje er noget andet end den brede energifordeling, man typisk forbinder med partikelacceleration i almindelige astrofysiske kilder. Hvis to WIMP-partikler annihilerer direkte til to fotoner, vil fotonerne i idealiseret form have næsten samme energi – omtrent svarende til WIMP-partiklens masse. Resultatet kan derfor ligne en skarp linje i stedet for en bred forhøjelse.

Netop derfor har en gammastrålelinje i GeV- eller TeV-området længe været omtalt som en mulig mørkt stofs »rygende pistol«: Den ville være vanskeligere at forklare med de kendte processer i almindelige astrofysiske objekter. 11

Hvorfor er det stadig ikke et bevis?

Den største forsigtighedsgrund er, at signalet hovedsageligt bæres af tre galaksehobe og ikke ses med tilsvarende styrke i en bred population af hobe. Et ægte mørkt stof-signal bør helst kunne genfindes på tværs af flere uafhængige mål, der har de forventede egenskaber.

Desuden har signalets statistiske styrke ændret sig i tidligere analyser. En undersøgelse baseret på 7,1 års Fermi-data fandt et foreløbigt signal omkring 43 GeV. En opfølgende analyse med 11,4 års data fandt derimod ingen statistisk signifikant linje, og overskuddet blev især svækket, da en bestemt klasse af hændelser med energispredningsinformation blev fjernet. 810

Den nyeste analyse indeholder kontrolundersøgelser, som ikke peger på en enkel instrumentel forklaring. Det udelukker dog ikke automatisk en ukendt systematisk fejl i detektoren eller analysen – eller en usædvanlig astrofysisk kilde, som forskerne endnu ikke har identificeret. 3

Andre undersøgelser af galaksehobe har også sat grænser for, hvor stærkt WIMP-mørkt stof kan annihilere, uden at finde et entydigt mørkt stof-signal. 3

Hvordan passer resultatet med andre påstande om gammastråler?

Resultatet ligger i samme overordnede forskningsfelt som tidligere påstande om mulige mørkt stof-signaler, men observationerne bekræfter ikke hinanden direkte.

Astronomen Tomonori Totani har med cirka 15 års Fermi-LAT-data rapporteret et omtrent 20 GeV stort, haloformet overskud omkring Mælkevejen. Han har fortolket mønstret som potentielt foreneligt med annihilerende mørkt stof. 7

De to signaler er imidlertid forskellige på centrale punkter: Det ene ligger omkring 20 GeV og ses som en struktur omkring Mælkevejens centrum, mens det nye signal ligger omkring 43,2 GeV og knytter sig til galaksehobe. De forventede forgrundsbidrag og de astrofysiske miljøer er også forskellige.

AI-baserede analyser af Mælkevejens gammastråleglød handler tilsvarende primært om, hvordan den komplekse emission fra det galaktiske centrum bedst forklares: med ikke-opløste kilder, diffuse processer eller en morfologi, der ligner mørkt stof. De etablerer ikke uafhængigt den 43 GeV-linje, og der er ikke tilstrækkeligt grundlag for at kalde nogen af disse observationer en bekræftet påvisning.

Hvad kan afgøre sagen?

Flere tests bliver afgørende:

• Om signalet ved 43 GeV bliver ved med at være til stede og vokser, efterhånden som Fermi indsamler mere data.
• Om en tilsvarende linje findes i flere galaksehobe med et højt forventet indhold af mørkt stof.
• Om resultatet overlever uafhængige rekonstruktioner af hændelser, alternative baggrundsmodeller og andre valg af dataudsnit.
• Om fremtidige gammastråleinstrumenter kan opløse signalet med tilstrækkelig følsomhed og energ opløsning.

Fermi-teleskopets survey-data er offentligt tilgængelige, så andre forskergrupper kan gennemføre nye analyser. 1

En helt anden jagt med kvanteteknologi

En separat idé, der forbindes med forskere ved University of Tokyo, forsøger ikke at finde WIMP-annihilation. Den er i stedet rettet mod ultralet, bølgelignende mørkt stof.

I sådanne modeller opfører mørkt stof sig mere som et sammenhængende felt end som en strøm af enkeltpartikler. Feltet kan i princippet fremkalde koherente overgange eller faseændringer i kvantebits. Hvis mange qubits sammenkobles i et system med høj kvalitet, eksempelvis med resonanshulrum, kan den kollektive effekt forstærke et ekstremt svagt signal. 51213

Den store tekniske udfordring er at bevare koherensen: Qubitterne skal forblive indbyrdes sammenfiltrede og fasestabile længe nok til målingen, samtidig med at fejl i aflæsning og styring holdes nede. Den forventede fordel ved kvantemetoden afhænger derfor af, om fejlprocenterne kan blive tilstrækkeligt lave. 712

Gamma-ray-signalet ved 43,2 GeV er dermed en spændende kandidat, men ikke den endelige løsning på mørkt stofs mysterium. Først når andre analyser og nye instrumenter reproducerer linjen, vil »rygende pistol« være mere end en metafor.