אות קרני גמא חד עשוי לרמוז על חומר אפל — אבל עדיין לא מדובר בתגלית מאושרת

מה נמצא בנתונים?

צוות אסטרופיזיקאים מסין בחן 15.5 שנות נתונים זמינים של טלסקופ החלל פרמי — ובעיקר של מכשיר ה־Fermi Large Area Telescope, או Fermi-LAT — בחיפוש אחר קו צר בספקטרום קרני הגמא. הניתוח כלל 13 צבירי גלקסיות מסיביים וקרובים יחסית, בהיסט לאדום של עד 0.028. 10

החוקרים זיהו עודף דמוי־קו סביב 43.2 ג׳יגה־אלקטרון־וולט (GeV). כאשר התמקדו בשלושת הצבירים בעלי גורמי ה־J הגבוהים ביותר — מדד המייצג את כמות החומר האפל הצפויה ואת הסיכוי לראות ממנו אות — התקבל ערך מבחן סטטיסטי של כ־30. האות הופיע בעיקר בכיוון צבירי בתולה, פורנקס ונושא־הנחש. כאשר צורפו גם עשרה צבירים נוספים, האות נותר אך נחלש. 210

המשמעות הגלובלית שדווחה היא בערך 4.3 סיגמא. זו תוצאה מסקרנת מאוד, אך בשפה המדעית היא עדיין אינה שקולה להכרזה על גילוי. 316

מדוע קו חד עשוי להיות ״אקדח מעשן״?

רוב המקורות האסטרופיזיקליים של קרני גמא — למשל חלקיקים מואצים סביב כוכבים או חורים שחורים — יוצרים בדרך כלל ספקטרום רחב של אנרגיות. לעומת זאת, בתרחיש מסוים של חומר אפל מסוג WIMP, שני חלקיקים יכולים להשמיד זה את זה וליצור ישירות שני פוטונים.

במקרה כזה, כל פוטון יישא אנרגיה כמעט יחידה, בקירוב השווה למסת חלקיק ה־WIMP. במפת האנרגיות הדבר אמור להיראות כפס צר ובולט, ולא כבליטה רחבה. משום שקשה להסביר קו כזה באמצעות תהליכים אסטרופיזיקליים רגילים, קו קרני גמא בתחום הג׳יגה־אלקטרון־וולט עד טרה־אלקטרון־וולט מכונה לעיתים ״אקדח מעשן״ לחומר אפל. 11

עם זאת, מדובר בפירוש אפשרי של התצפית — לא בהוכחה שהחלקיקים שנמצאו הם WIMPs.

למה התוצאה עדיין אינה מאושרת?

הסיבה הראשונה היא שהאות נשען בעיקר על שלושה צבירי גלקסיות, ולא על אוכלוסייה רחבה של צבירים. אות שמופיע בעקביות במקומות רבים, ובעוצמה התואמת את כמות החומר האפל הצפויה בכל מקום, יהיה משכנע יותר.

הסיבה השנייה היא ההיסטוריה המשתנה של האות. ניתוח מוקדם יותר, שהתבסס על 7.1 שנות נתוני פרמי, דיווח על רמז לקו סביב 43 ג׳יגה־אלקטרון־וולט. אך ניתוח המשך שכלל 11.4 שנות נתונים לא מצא קו בעל מובהקות סטטיסטית מספקת; האות נחלש במיוחד לאחר הסרה של סוג מסוים של אירועים הקשור לרזולוציית האנרגיה של הגלאי. 810

העבודה החדשה כוללת בדיקות שלפיהן הסבר מכשירי פשוט אינו מועדף. ובכל זאת, בדיקות כאלה אינן יכולות לשלול לחלוטין שיטתיות לא מוכרת בגלאי או בניתוח, ואף לא מקור אסטרופיזיקלי חריג. 3

לכן הניסוח הזהיר הוא: נמצא מועמד לאות של חומר אפל, אך לא גילוי מאומת של חומר אפל.

איך זה משתלב בטענות קודמות על קרני גמא?

התוצאה החדשה מצטרפת לשורה של טענות מעניינות, אך אין לראות בהן אישור הדדי.

העודף של כ־20 GeV בשביל החלב

טומונורי טוטאני מאוניברסיטת טוקיו ניתח כ־15 שנות נתוני Fermi-LAT מאזור ההילה של שביל החלב ודיווח על עודף דמוי־הילה סביב 20 ג׳יגה־אלקטרון־וולט. לפי הפרשנות שהציע, הפיזור המרחבי והאנרגיה עשויים להתאים להשמדת חומר אפל. 7

אך זהו אות שונה מהותית: הוא מגיע מאזור שביל החלב, שיאו האנרגטי נמוך יותר, והרקע האסטרופיזיקלי שלו מורכב ושונה מזה של צבירי הגלקסיות. לכן העודף של טוטאני אינו מאשר באופן עצמאי את הקו סביב 43.2 GeV.

גם ניתוחים שנעזרו בבינה מלאכותית כדי לבחון את הזוהר המורכב במרכז הגלקטי עוסקים בעיקר בשאלה אם מקורו באוכלוסיית מקורות לא־פתורים, בתהליכים מפוזרים או במורפולוגיה הדומה לזו של חומר אפל. הם אינם מהווים אישור בלתי תלוי לקו שנמצא בצבירי הגלקסיות. נכון לעכשיו, אין די ראיות כדי להגדיר אף אחת מהטענות הללו כגילוי מאושר.

מה יוכל להכריע את הוויכוח?

הבדיקות המכריעות יהיו:

• האם האות סביב 43 GeV יישאר בנתוני פרמי נוספים ויתחזק ככל שיצטבר זמן תצפית נוסף;
• האם הוא יופיע בעוצמה תואמת גם בצבירי גלקסיות נוספים, במיוחד כאלה שבהם צפויה כמות גדולה של חומר אפל;
• האם הוא ישרוד שחזורים בלתי תלויים של האירועים, מודלים שונים של הרקע ובדיקות נפרדות של רזולוציית האנרגיה;
• האם טלסקופי קרני גמא עתידיים, בעלי רגישות ורזולוציית אנרגיה מתאימות, יזהו את אותו קו באופן עצמאי.

נתוני הסקר של Fermi זמינים לציבור, ולכן קבוצות מחקר אחרות יכולות לבצע ניתוחים חוזרים באמצעות הנתונים והתוכנות הרלוונטיות. 1

מסלול חיפוש אחר: מחשבים קוונטיים וחומר אפל גלי

במקביל לחיפוש האסטרופיזיקלי, קיימת גישה שונה לחלוטין הקשורה להצעות מחקר מאוניברסיטת טוקיו. היא אינה מחפשת WIMPs כבדים יחסית, אלא חומר אפל קל במיוחד ובעל אופי גלי.

בתרחיש כזה, החומר האפל מתנהג יותר כמו שדה קוהרנטי — גל חלש ומתמשך — מאשר כמו אוסף של חלקיקים נפרדים. השדה עשוי לגרום למעברים או לשינויי פאזה קוהרנטיים בקיוביטים. אם קושרים קיוביטים בשזירה קוונטית ומשלבים אותם עם חללים באיכות גבוהה, אפשר לנסות לחבר את האותות הזעירים ולשפר את הרגישות. 51213

האתגר המרכזי הוא שמירת הקוהרנטיות: הקיוביטים צריכים להישאר מסונכרנים ושזורים לאורך זמן המדידה, תוך דיכוי רעשי קריאה, שגיאות בקרה ואינטראקציות עם הסביבה. אם שיעור השגיאות אינו נמוך מספיק, היתרון הקוונטי הצפוי עלול להיעלם. 712

שתי הגישות — קו קרני הגמא מצד אחד וחיישנים קוונטיים מצד שני — בוחנות מועמדים שונים ובתחומי מסה שונים. שתיהן מדגימות עד כמה החיפוש אחר חומר אפל עדיין פתוח: יש רמזים מעניינים, אך האישור הסופי ידרוש שחזור בלתי תלוי, עקביות בין ניסויים והסבר שאינו נשען על חריגה יחידה.