Fermi-data avslører mulig spor etter mørk materie

Et signal som skiller seg ut

I en studie publisert i Physical Review Letters analyserte forskere 15,5 år med offentlig tilgjengelige data fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope. De undersøkte gammastråling fra 13 nærliggende, massive galaksehoper.

I det samlede materialet dukket det opp et smalt overskudd ved omtrent 43,2 gigaelektronvolt (GeV). Når forskerne begrenset analysen til Virgo-, Fornax- og Ophiuchus-hopene – de tre med høyest forventet bidrag fra mørk materie – fikk signalet en teststatistikk på rundt 30. Den rapporterte globale signifikansen var omtrent 4,3 sigma. 316

Det er et interessant resultat, men formuleringen er viktig: Studien viser en mulig kandidat til et signal fra mørk materie, ikke en bekreftet oppdagelse.

Hvorfor en skarp linje er interessant

Mørk materie er ikke observert direkte, men tyngdevirkningene på galakser og galaksehoper tyder på at den utgjør en stor del av universets masse. En av de mest undersøkte forklaringene er WIMP-er – hypotetiske, massive partikler som vekselvirker svært svakt med vanlig materie.

Hvis to WIMP-er utsletter hverandre og direkte produserer to fotoner, vil fotonene få omtrent samme energi. I et spektrum kan det gi en smal, nesten «linjeformet» topp ved en energi som henger sammen med partikkelmassen. Vanlige astrofysiske akselerasjonsprosesser lager oftere et bredt energispekter, ikke en så ren topp.

Derfor omtales en gammastrålelinje i GeV- eller TeV-området ofte som en mulig mørk materie-«smoking gun» – en særlig karakteristisk signatur. 11

Hvorfor forskerne fortsatt er forsiktige

Det største problemet er at signalet ikke er jevnt fordelt over hele utvalget. Det er i hovedsak de tre galaksehopene Virgo, Fornax og Ophiuchus som driver resultatet. Når de ti andre hopene tas med, er signalet fortsatt til stede, men teststatistikken blir lavere – rundt 21, ifølge den publiserte analysen. 2

Historikken gjør også tolkningen mer usikker. En tidligere analyse av 7,1 år med Fermi-data fant en foreløpig topp rundt 43 GeV. En oppfølgende studie med 11,4 år med data fant derimot ingen statistisk signifikant linje. Overskuddet ble dessuten særlig svekket da en bestemt klasse av hendelser med energidispersjonsinformasjon ble fjernet. 810

Den nye studien beskriver flere kontroller som ikke peker mot en enkel instrumental forklaring. Det er betryggende, men utelukker ikke ukjente systematiske feil i detektoren eller analysen. Et uvanlig astrofysisk objekt eller en feilmodellert bakgrunn kan også etterligne en smal topp. At en analyse taler mot én mulig forklaring, er ikke det samme som at bare mørk materie står igjen.

Ikke det samme som andre påståtte mørk materie-signaler

Resultatet må også holdes adskilt fra andre omtalte gammastråleobservasjoner.

Astronomen Tomonori Totani ved Universitetet i Tokyo har analysert omtrent 15 år med Fermi-LAT-data fra området rundt Melkeveiens halo. Han rapporterte et haloformet overskudd med en topp ved rundt 20 GeV, og mente at mønsteret kunne være forenlig med utslettelse av mørk materie. 7

Dette er en annen observasjon enn 43,2-GeV-linjen fra galaksehopene: energien, målområdet og de forventede forgrunnskildene er vesentlig forskjellige. At begge analyser kan tolkes innenfor mørk materie-forskning, gjør dem derfor ikke til uavhengige bekreftelser av hverandre.

Det samme gjelder AI-baserte analyser av den diffuse gammastrålegløden mot Melkeveiens sentrum. Slike studier undersøker om den kompliserte strålingen best forklares av uoppdagede punktkilder, diffuse prosesser eller en morfologi som ligner mørk materie. De etablerer ikke i seg selv 43-GeV-signalet fra galaksehopene. Det finnes foreløpig ikke tilstrekkelig grunnlag for å omtale noen av disse funnene som en bekreftet mørk materie-deteksjon.

Hva kan avgjøre saken?

De viktigste oppfølgingsspørsmålene er:

• Overlever 43-GeV-toppen nye observasjoner, og blir den sterkere når Fermi får mer datatid?
• Dukker et signal med tilsvarende styrke opp i flere galaksehoper med stort forventet innhold av mørk materie?
• Overlever funnet uavhengige valg av hendelsesrekonstruksjon, bakgrunnsmodell og statistisk metode?
• Kan et framtidig gammastråleinstrument bekrefte linjen med bedre følsomhet og energioppløsning?

Fermi-LATs undersøkelsesdata er offentlig tilgjengelige, slik at andre forskere kan gjennomføre nye analyser. 1 En reproduserbar linje som vokser med mer data og viser seg i flere uavhengige datasett, vil være langt vanskeligere å avfeie som et analyse- eller instrumentfenomen.

En helt annen jakt med qubiter

Samtidig undersøker forskere rundt Universitetet i Tokyo en annen måte å lete etter mørk materie på. Denne metoden er ikke rettet mot WIMP-er som lager gammastråler, men mot ultralett, bølgeaktig mørk materie.

I slike modeller oppfører mørk materie seg mer som et sammenhengende felt enn som enkeltpartikler. Feltet kan påvirke qubiter – kvantebiter – ved å fremkalle koherente overganger eller faseforskyvninger. Ved å koble sammen mange qubiter, eventuelt i systemer med høy kvalitetsfaktor, kan forskerne forsøke å forsterke det kollektive signalet.

Den sentrale tekniske utfordringen er å bevare kvantekoherensen: Qubitene må forbli sammenfiltrede og fasesynkrone lenge nok til at det svake signalet kan måles. Avlesnings- og kontrollfeil må samtidig holdes svært lave. Den teoretiske fordelen ved sammenfiltring avhenger nettopp av at feilratene er tilstrekkelig små. 712

Gammastrålelinjen og qubit-metoden tester dermed to ulike hypoteser om hva mørk materie kan være. Begge er lovende søkestrategier, men ingen av dem har foreløpig gitt det endelige, uavhengig bekreftede svaret.