To nye spor i jagten på mørkt stof

To nyere observationer giver astronomerne to forskellige veje ind i et af kosmologiens største mysterier. En svag strøm af stjerner omkring den ultradiffuse galakse UGC 9050-Dw1 kan bruges til at måle, hvordan usynligt stof former banerne omkring galaksen. Samtidig viser en genanalyse af gammastråledata en smal struktur nær 43,2 GeV – et muligt, men langt fra sikkert, signal fra mørkt stofs partikler.

De to fund bør derfor ikke blandes sammen. Det ene handler først og fremmest om hvor mørkt stof befinder sig, og hvordan det påvirker almindeligt stof gennem tyngdekraften. Det andet handler om hvad mørkt stof muligvis består af.

1. Oyashio: En stjernestrøm som vægt for en fjern galakse

Dybe observationer med Hubble-rumteleskopet har givet evidens for en tynd stjernestrøm, der er knyttet til en mulig kuglehob i UGC 9050-Dw1. Strukturen har fået navnet Oyashio og beskrives som den første stjernestrøm fra en kuglehob, der er identificeret uden for Mælkevejen. Dens form, farve og tilsyneladende forbindelse til en kompakt lyskilde understøtter tolkningen af, at stjerner er blevet revet løs fra en kuglehob af tidevandskræfter.

En stjernestrøm fungerer som en slags kosmisk sporstof for tyngdekraften. Når en kuglehob mister stjerner, danner de forreste og bageste strømme baner, der påvirkes af den omgivende galakses gravitationsfelt. Ved at modellere strømmen kan astronomer derfor udlede egenskaber ved galaksens halo – herunder bidraget fra mørkt stof og den mulige påvirkning fra mindre strukturer af mørkt stof.

Forskerholdet tilpassede dynamiske strøm-modeller direkte til den observerede struktur. Resultatet er ifølge studiet den første halo-begrænsning for en ultradiffus galakse, der bygger på en stjernestrøm. De modeller, der passer bedst med observationerne, peger på en forholdsvis massiv mørkstofhalo.

Hvorfor metoden er vigtig

Ultradiffuse galakser har relativt få synlige stjerner. Derfor er det vanskeligt at bestemme deres samlede masse ved blot at måle stjernernes bevægelser. En stjernestrøm giver en anden type information: I stedet for kun at se på hastigheden hos enkelte stjerner undersøger man formen på et større, forstyrret system og bruger den til at teste det omgivende tyngdefelt.

Oyashio er dermed mere end en spektakulær, svag bue på et billede. Den kan blive et nyt værktøj til at sammenligne synligt stof og mørkt stof i lyssvage galakser uden for Mælkevejen.

Hvad der stadig kan ændre fortolkningen

Studiet præsenterer objektet som evidens – ikke som en fuldstændig og endeligt karakteriseret stjernestrøm. Strukturen er ekstremt svag, og de udledte egenskaber ved haloen afhænger blandt andet af antagelser om ophobningens massetab, dens tredimensionelle bane og formen på galaksens halo.

Observationen fortæller derfor ikke, hvad mørkt stof består af. Den måler det tyngdemiljø, som stjernerne bevæger sig i. Flere bekræftede strømme og bedre bestemte baner vil være nødvendige for at afgøre, om UGC 9050-Dw1 er typisk – eller usædvanligt rig på mørkt stof.

2. En gammastråle ved 43,2 GeV kan undersøge mørkt stofs partikler

Det andet resultat bygger på en ny analyse af 15,5 års offentligt tilgængelige data fra Fermi-LAT, Large Area Telescope om bord på Fermi-gammastrålerumteleskopet. Forskerne undersøgte retningen mod 13 nærliggende, massive galaksehobe og rapporterede en smal struktur nær 43,2 GeV. Signalet er stærkest, når data fra Virgo-, Fornax- og Ophiuchus-hobene analyseres samlet. Det er de tre hobe i udvalget, som forventes at have de største såkaldte annihilationsfaktorer for mørkt stof. Den rapporterede teststatistik er omkring 30 for de tre systemer og omkring 21, når ti yderligere hobe medtages.

En smal gammastrålelinje er interessant, fordi almindelige højenergetiske astrofysiske processer ofte giver brede og mere glidende energispektre. Annihilation eller henfald af mørkt stof, hvor der indgår fotoner, kan derimod skabe en linjelignende struktur. I den enkleste fortolkning, hvor to mørkstofpartikler annihilerer direkte til to fotoner, vil en linje nær 43 GeV pege på en partikelmasse omkring 43 GeV.

Hvorfor det endnu ikke er en opdagelse

Strukturen er ikke tilstrækkeligt ny eller uafhængig til at udgøre et bevis for mørkt stof. Tidligere Fermi-analyser har også rapporteret en foreløbig struktur nær 43 GeV, men fandt ingen globalt statistisk signifikant gammastrålelinje. En senere analyse baseret på 11,4 års data fandt, at antydningen stadig var til stede, men at teststatistikken var faldet og var følsom over for valg af hændelsesudvælgelse.

Det nye resultat bygger fortsat på ét instrument og et udvalgt sæt mål. Modellering af baggrunden, energikalibrering, statistiske forsøgsfaktorer, antagelser om galaksehobenes mørkstofprofiler og uopklarede gammastrålekilder kan alle påvirke resultatet. Tidligere undersøgelser af Virgo har desuden vist, at tilsyneladende udstrakt gammastråleudsendelse kan påvirkes af punktkilder, som ikke er blevet opløst.

Fraværet af et tilsvarende signal mod Mælkevejens indre områder er endnu en udfordring for en enkel og standardiseret forklaring baseret på annihilerende mørkt stof. Analysen finder heller ingen tilhørende kontinuumudsendelse fra Virgo, hvilket begrænser konventionelle fortolkninger yderligere. En usædvanlig astrofysisk forklaring kan derfor ikke udelukkes endnu.

To spor, der supplerer hinanden

Stjernestrømmen og gammastrålelinjen besvarer forskellige spørgsmål:

• Oyashio undersøger, hvor mørkt stof er, og hvordan det former stof. Stjernerne reagerer på galaksens samlede tyngdefelt, så deres baner kan bruges til at modellere haloen.
• Gammastrålelinjen undersøger, hvad mørkt stof muligvis er. Hvis strukturen skyldes annihilation eller henfald, kan dens energi og spektrum begrænse massen og vekselvirkningerne hos en mørkstofpartikel.

Stjernestrømsresultatet er på nuværende tidspunkt det sikreste af de to observationelle fremskridt, fordi det introducerer en ny dynamisk metode – ikke fordi det påviser en bestemt partikel. Gammastråleresultatet ville være mere direkte, hvis det blev bekræftet, men fortolkningen er betydeligt mere spekulativ.

Hvad fremtidige observationer skal vise

For Oyashio er det vigtigste næste skridt at finde et større antal stjernestrømme fra kuglehobe i andre galakser. Forskerne skal kunne følge strømmenes forløb over større afstande, måle deres afstande og hastigheder, hvor det er muligt, og lede efter huller, asymmetrier og andre tegn på mindre strukturer i haloen. En hel population af systemer vil også mindske risikoen for at drage brede konklusioner ud fra én usædvanlig galakse.

For gammastrålelinjen vil en uafhængig detektor med mange fotoner og bedre energiopløsning omkring 43 GeV være den klareste test. Et overbevisende signal bør dukke op ved den samme energi i uafhængige data, have den relative lysstyrke, som galaksehobenes forventede mørkstoffordeling tilsiger, følge hobene frem for kendte gammastrålekilder og ikke optræde i instrumentelle kontrolprøver eller kontrolområder på himlen.

HERD er et højenergetisk kosmiskstråle- og gammastråleobservatorium under opbygning. Mørkstofsøgninger er blandt missionens videnskabelige mål, og den planlagte opsendelse er angivet til 2027. Instrumentet skal installeres på Kinas rumstation. Oplysninger om fremtidige gammastråleinstrumenter angiver desuden en energiopløsning på cirka 1 procent for HERD og GAMMA-400, sammenlignet med omkring 10 procent for Fermi-LAT ved 100 GeV. Det kan gøre det lettere at skelne en ægte smal linje fra en bredere spektral struktur.

Hvis fremtidige instrumenter ikke genskaber overskuddet ved 43,2 GeV med tilstrækkelig følsomhed, vil resultatet i stedet blive en begrænsning på modeller, der forudsiger mørkstofreaktioner med linjeformet stråling. Hvis de derimod finder det samme signal – og dets position og lysstyrke følger den forventede fordeling af mørkt stof – vil forklaringen i partikelfysikken stå langt stærkere.

Konklusionen

Oyashio udvider metoden med stjernestrømme til galakser uden for Mælkevejen og bruger en ultradiffus galakses tyngdekraft som laboratorium for mørkt stof. Strukturen ved 43,2 GeV i Fermi-data fra galaksehobe kan være et muligt partikelspor, men den kan stadig skyldes statistiske, instrumentelle eller astrofysiske forhold.

Sammen viser de to observationer, hvorfor forskningen i mørkt stof har brug for både gravitationelle sporstoffer og direkte partikeljagt. Den ene metode kan afsløre, hvordan det usynlige stof er fordelt. Den anden kan måske en dag vise, hvad det består af. Indtil videre er begge resultater lovende spor – ikke beviser.