Kaksi uutta vihjettä pimeästä aineesta – mutta kumpikaan ei ole vielä todiste

Menetelmä voi olla erityisen hyödyllinen juuri erittäin himmeissä galakseissa, joissa tähtien nopeuksien mittaaminen on vaikeaa. Yksi himmeä kaari ei siis ole vain näyttävä kuvio, vaan mahdollinen uusi väline Linnunradan ulkopuolisten galaksien näkyvän ja pimeän aineen vertaamiseen.

Mitkä asiat voivat vielä muuttaa tulkintaa?

Tutkimus puhuu todisteista eikä täysin varmistetusta, kaikilta osin mitatusta tähtivirrasta. Kohde on poikkeuksellisen himmeä, ja halon ominaisuudet riippuvat oletuksista muun muassa alkuperäisen tähtijoukon massahistoriasta, sen kolmiulotteisesta radasta ja isäntähalon muodosta.

Oyashio ei myöskään kerro, mistä pimeä aine koostuu. Se kertoo ennen kaikkea siitä, millaisessa painovoimaympäristössä tähdet liikkuvat. Useampien vastaavien virtojen löytäminen ja niiden ratojen tarkempi määrittäminen auttaisi selvittämään, onko UGC 9050-Dw1 tavanomainen vai poikkeuksellisen pimeän aineen hallitsema galaksi.

2. 43,2 GeV:n gammasädeviiva voisi vihjata pimeän aineen hiukkasista

Toinen tulos perustuu 15,5 vuoden ajan kerättyyn julkisesti saatavilla olevaan Fermi Large Area Telescope -aineistoon eli Fermi-LAT-havaintoihin. Tutkijat tarkastelivat 13 läheisen ja massiivisen galaksijoukon suunnista tulevaa gammasäteilyä ja raportoivat kapeasta piirteestä noin 43,2 GeV:n kohdalla.

Piirre on voimakkain, kun tarkastellaan yhdessä Neitsyen, Fornaxin ja Ophiuchuksen galaksijoukkoja. Niillä arvioidaan olevan otoksen suurimmat pimeän aineen annihilaatiota kuvaavat J-tekijät. Näiden kolmen järjestelmän yhteinen testisuure on noin 30, ja kymmenen muun galaksijoukon lisääminen tuottaa noin 21:n testisuureen.

Kapea gammasädeviiva on kiinnostava, koska monet tavanomaiset korkeaenergiset astrofysikaaliset prosessit tuottavat pikemminkin leveän ja tasaisesti muuttuvan spektrin. Pimeän aineen hiukkasten annihilaatio tai hajoaminen fotoneja sisältävään lopputilaan voisi sen sijaan synnyttää viivamaisen piirteen.

Yksinkertaisimmassa tulkinnassa, jossa pimeän aineen hiukkaset annihiloituvat kahdeksi fotoniksi, noin 43 GeV:n gammasädeviiva vastaisi hiukkasta, jonka massa on suunnilleen 43 GeV.

Miksi kyse ei ole vielä löydöstä?

Vihje ei ole uusi eikä riippumattomasti vahvistettu. Aiemmissa Fermi-analyyseissä on niin ikään nähty alustava piirre noin 43 GeV:n kohdalla, mutta maailmanlaajuisesti tilastollisesti merkitsevää gammasädeviivaa ei ole löytynyt. Myöhemmässä, 11,4 vuoden aineistoon perustuneessa analyysissä vihje säilyi, mutta sen testisuure pieneni ja tulos riippui tapahtumien valintaan liittyvistä asetuksista.

Uusin tulos perustuu edelleen yhteen instrumenttiin ja ennalta valikoituun kohdejoukkoon. Taustasäteilyn mallinnus, energian kalibrointi, useiden kokeiltujen energioiden tilastollinen korjaus eli niin sanotut trial factor -tekijät, galaksijoukkojen pimeän aineen profiileja koskevat oletukset sekä ratkaisemattomat gammasädelähteet voivat kaikki vaikuttaa tulokseen.

Neitsyen galaksijoukosta aiemmin tehdyt tutkimukset ovat lisäksi osoittaneet, että näennäisesti laaja gammasäteily voi osittain johtua ratkaisemattomista pistelähteistä.

Yksinkertaista annihiloituvan pimeän aineen selitystä hankaloittaa myös se, ettei vastaavaa signaalia havaita Linnunradan keskusta kohti. Analyysissä ei myöskään löydetty Neitsyen galaksijoukosta siihen liittyvää jatkuvaa gammasädespektriä, mikä rajoittaa tavanomaisia annihilaatiomalleja entisestään. Epätavallista astrofysikaalista alkuperää ei siksi voida vielä sulkea pois.

Kaksi havaintoa, kaksi eri kysymystä

Tähtivirta ja gammasädeviiva täydentävät toisiaan, koska ne tutkivat pimeää ainetta eri näkökulmista:

• Oyashio kysyy, missä pimeää ainetta on ja miten se vaikuttaa ympäristöönsä. Tähdet seuraavat isäntägalaksin painovoimakenttää, jonka avulla haloa voidaan mallintaa.
• Gammasädeviiva kysyy, mitä pimeä aine voisi olla. Jos piirre johtuisi annihilaatiosta tai hajoamisesta, sen energia ja spektri voisivat rajoittaa hiukkasen massaa ja vuorovaikutuksia.

Tällä hetkellä tähtivirta on havaintona vakaampi edistysaskel. Se esittelee uuden dynaamisen menetelmän eikä väitä tietyn hiukkasen löytyneen. Gammasädeviiva olisi varmistuessaan suorempi yhteys hiukkasfysiikkaan, mutta sen tulkinta on selvästi epävarmempi.

Mitä seuraavaksi pitäisi havaita?

Oyashion tapauksessa tärkein seuraava askel olisi suurempi joukko Linnunradan ulkopuolisia pallomaisten tähtijoukkojen virtoja. Virtoja pitäisi seurata pidemmälle, niiden etäisyyksiä ja nopeuksia mitata mahdollisuuksien mukaan ja niiden rakenteesta etsiä aukkoja, epäsymmetrioita ja muita halon alarakenteisiin viittaavia merkkejä.

Usean kohteen otos pienentäisi riskiä, että yhden epätavallisen galaksin perusteella tehdään liian laajoja johtopäätöksiä. Tulevat laaja-alaiset avaruusteleskoopit voisivat helpottaa uusien himmeiden virtojen löytämistä, kun taas suuret maanpäälliset teleskoopit voisivat täydentää havaintoja spektroskooppisilla etäisyys- ja nopeusmittauksilla.

Gammasädepiirteen ratkaisevin testi olisi riippumaton instrumentti, jolla on paljon fotoneja ja parempi energiaerotuskyky noin 43 GeV:n alueella. HERD-rakennelma on suunnitteilla korkeaenergisen kosmisen säteilyn ja gammasäteilyn observatorioksi, jonka tavoitteisiin kuuluvat myös pimeän aineen haut. Sen suunniteltu laukaisu on vuonna 2027, ja se on tarkoitus asentaa Kiinan avaruusasemalle.

Tulevien gammasädeinstrumenttien hanketiedoissa HERDille ja GAMMA-400:lle kuvataan noin yhden prosentin energiaerotuskykyä. Fermi-LAT:n vastaava arvo on noin 10 prosenttia 100 GeV:n kohdalla. Parempi erotuskyky voisi auttaa erottamaan aidon kapean viivan leveämmästä spektripiirteestä.

Vakuuttavan gammasädesignaalin pitäisi:

1. toistua samalla energialla riippumattomissa aineistoissa ja instrumenteissa,
2. näkyä galaksijoukoissa niiden ennustetun pimeän aineen jakauman mukaisella voimakkuudella,
3. seurata galaksijoukkoja eikä tunnettuja gammasädelähteitä ja
4. puuttua instrumentti- ja taivaskontrollinäytteistä.

Jos signaalia ei havaita riittävällä herkkyydellä, nykyinen tulos muuttuisi rajoitteeksi malleille, jotka ennustavat viivamaisia pimeän aineen vuorovaikutuksia. Jos se taas toistuu ja sen energia sekä kirkkaus vastaavat pimeän aineen jakaumaa, hiukkasfysikaalinen selitys vahvistuisi huomattavasti.

Lopputulos

Oyashio laajentaa tähtivirtoihin perustuvaa pimeän aineen kartoitusta Linnunradan ulkopuolelle. Sen avulla tutkijat voivat käyttää diffuusin galaksin painovoimaa laboratoriona.

Fermi-aineiston noin 43,2 GeV:n piirre puolestaan tarjoaa mahdollisen hiukkasfysiikan vihjeen, mutta se on edelleen altis tilastollisille, instrumentaalisille ja astrofysikaalisille selityksille.

Yhdessä havainnot osoittavat, miksi pimeää ainetta tutkitaan sekä painovoiman että hiukkassignaalien avulla. Toinen menetelmä voi paljastaa, miten näkymätön aine on jakautunut. Toinen saattaa jonain päivänä kertoa, mitä se on. Toistaiseksi kyse on lupaavista vihjeistä – ei vielä todisteesta.