To nye spor i jakten på mørk materie

Observasjonen var krevende fordi strømmen er svært lyssvak. Hubbles dype bilder med høy oppløsning gjorde det mulig å skille en sammenhengende, bueformet ansamling av stjerner fra galaksens diffuse lys og tilfeldige kilder i bakgrunnen. Den lave overflatelysstyrken til UGC 9050-Dw1 bidrar samtidig til at strømmen ikke drukner i sterkt galakselys. Men svakheten gjør også tolkningen mer utfordrende og øker behovet for oppfølgingsdata.

Hvorfor funnet ikke er endelig

Observasjonene støtter tolkningen av at dette er en stjernestrøm fra en kulehop. Likevel trengs det flere data for å fastslå hvor langt strømmen strekker seg, bekrefte forbindelsen til den foreslåtte moderhopen, bestemme banen og forbedre beregningene av mørk materie-haloen. Dypere bilder og målinger av stjernenes bevegelser vil være særlig nyttige.

Det er et viktig skille: Bildene viser ikke mørk materie direkte. Stjernestrømmen fungerer i stedet som et gravitasjonseksperiment. Forskerne trekker slutninger om den usynlige massen ved å studere hvordan de synlige stjernene beveger seg.

2. En mulig gammastrålelinje på 43,2 GeV

I en separat analyse undersøkte forskere 15,5 år med offentlig tilgjengelige data fra Fermi Large Area Telescope, ofte kalt Fermi-LAT. De lette etter et smalt gammastrålesignal i retning av 13 nærliggende, massive galaksehoper. Analysen fant et linjelignende signal nær 43,2 GeV, særlig når forskerne konsentrerte seg om galaksehopene Virgo, Fornax og Ophiuchus. Den rapporterte teststatistikken for disse tre var rundt 30.

En smal linje ville vært uvanlig. Mange vanlige astrofysiske prosesser lager brede energispektere, ikke fotoner som samler seg rundt én bestemt energi. Hvis signalet blir bekreftet og skyldes at mørk materie-partikler tilintetgjør hverandre og produserer to fotoner, kan det peke mot partikler med en masse på omtrent 43 GeV.

Logikken er indirekte, men potensielt kraftig: Tilintetgjørelse av mørk materie kan være mer sannsynlig der mørk materie er tettest. Et gjentakbart signal med riktig geografisk fordeling kan derfor gi informasjon både om partikkelens mulige masse og om hvordan mørk materie er fordelt i galaksehopene.

Hvorfor gammastråleresultatet fortsatt er foreløpig

Signalet er ikke en etablert oppdagelse. Tolkningen avhenger blant annet av hvilket utvalg av galaksehoper som brukes, hvordan bakgrunnsstråling og instrumenteffekter modelleres, statistiske justeringer for mange mulige søk og antakelser om mørk materie-haloene og mindre, uoppløste strukturer i galaksehopene. Tidligere analyser av lignende data har også funnet hint nær denne energien, men signalstyrken har variert mellom analysene.

Den viktigste testen blir derfor uavhengig gjentakelse. Resultatet vil bli langt mer overbevisende dersom andre analyser finner den samme energien i flere galaksehoper, med den romlige fordelingen som forventes fra mørk materie og med en oppførsel som stemmer med instrumentet.

Mysteriet: Hvorfor mangler en tilsvarende linje i Melkeveien?

Galaksehop-signalet skaper en mulig spenning. Hvis mørk materie tilintetgjøres med en styrke som er stor nok til å lage en synlig gammastrålelinje i galaksehoper, skulle man kanskje også forvente et lignende signal fra den tette mørk materie-haloen mot sentrum av Melkeveien.

Men søk etter monokromatiske gammastrålelinjer i sentrum av galaksen har ikke funnet en globalt signifikant linje. En 14 år lang Fermi-LAT-analyse rapporterte begrensninger, ikke bevis for en slik linje fra tilintetgjørelse av mørk materie.

Flere muligheter kan forklare forskjellen, men ingen er etablert. Galaksehoper kan inneholde mange uoppløste små klumper av mørk materie som forsterker signalet. Samtidig kan fordelingen av mørk materie i den indre delen av Melkeveien være annerledes enn modellene antar. Signalet kan også skyldes en bakgrunnskilde som ikke er tatt med i modellen, en instrumenteffekt eller en statistisk tilfeldighet.

At det ikke finnes en tilsvarende linje i Melkeveien, motbeviser ikke alene galaksehop-resultatet. Det betyr likevel at en mulig partikkelforklaring må stemme overens med flere observasjoner samtidig.

Hva framtidige teleskoper kan undersøke

Roman kan gjøre én stjernestrøm til mange

NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope skal kombinere et stort synsfelt med høyoppløselige infrarøde bilder. Det kan gjøre det enklere å finne svake stjernestrømmer rundt nærliggende galakser og studere detaljer som hull og forstyrrelser i strømmenes struktur. Slike detaljer kan vise om mørk materie er jevnt fordelt eller samlet i mindre klumper.

Et større utvalg vil være spesielt verdifullt. Én stjernestrøm kan gi informasjon om én vertsgalakse, mens mange strømmer i ulike galakser kan vise hvordan mørk materie-haloer varierer med galaksetype og omgivelser.

Gammastråleoppdrag kan teste linjen på nytt

Framtidige gammastråleobservasjoner kan undersøke om signalet på rundt 43 GeV gjentar seg i uavhengige galaksehoper, om det har den forventede romlige fordelingen, og om resultatet er forenlig med søk i Melkeveien og dverggalakser. Flere fotoner og bedre energioppløsning vil gjøre det lettere å skille en ekte spektrallinje fra bred astrofysisk stråling og effekter knyttet til detektoren.

En linje som gjentar seg på tvers av flere mål, vil styrke tolkningen som mørk materie-signal betydelig. Hvis den forsvinner i nye data eller ved andre instrumentbehandlinger, blir en statistisk tilfeldighet eller en ukjent bakgrunn mer sannsynlig.

To utfyllende metoder – ikke et endelig svar

Stjernestrømmen rundt UGC 9050-Dw1 og den mulige gammastrålelinjen undersøker ulike sider av mørk materie-problemet. Stjernestrømmen bruker tyngdekraften til å kartlegge usynlig masse på galaktiske skalaer. Gammastrålesøket leter etter et mulig partikkelsignal.

Den nøkterne konklusjonen er derfor begrenset, men viktig: Astronomer har fått to lovende tester – ikke en bekreftet identifikasjon av mørk materie. Flere stjernestrømmer, dypere bilder, uavhengige gammastråleanalyser og resultater som er konsistente på tvers av ulike miljøer vil avgjøre om noen av sporene overlever en grundig kontroll.