To nye spor etter mørk materie peker i hver sin retning

To nye observasjoner gir astronomene to forskjellige måter å lete etter mørk materie på. En svak stjernestrøm rundt den ultradiffuse galaksen UGC 9050-Dw1 kan vise hvordan den usynlige massen former banene til stjerner gjennom tyngdekraften. Samtidig kan et smalt utslag nær 43,2 GeV i gammastråledata fra nærliggende galaksehoper – dersom det blir bekreftet – gi informasjon om mørk materies partikkelegenskaper.

Begge funnene er foreløpige. Men de undersøker hver sin side av det samme store spørsmålet: Hvor befinner mørk materie seg, og hva består den av?

1. Oyashio: En stjernestrøm som kan veie en galaksehalo

Dype Hubble-bilder har gitt tegn til en tynn stjernestrøm knyttet til en mulig kulehop i UGC 9050-Dw1. Strukturen har fått navnet Oyashio og omtales som den første stjernestrømmen fra en kulehop som er identifisert utenfor Melkeveien. Formen, fargen og den tilsynelatende forbindelsen til en kompakt kilde støtter tolkningen av at stjerner er blitt revet løs fra en kulehop av tidevannskrefter.

En stjernestrøm fungerer som en slags gravitasjonell sporhund. Når en kulehop gradvis mister stjerner, danner de løsrevne stjernene en fremre og en bakre arm. Banene deres bestemmes av gravitasjonspotensialet i galaksen de befinner seg i. Ved å modellere strømmen kan astronomene derfor utlede egenskaper ved galaksehaloens masse – blant annet bidraget fra mørk materie og mulig påvirkning fra mindre strukturer av mørk materie.

Forskergruppen brukte dynamiske strømmodeller som ble tilpasset direkte til den observerte strukturen. Studien beskriver dette som den første halobegrensningen for en ultradiffus galakse basert på en stjernestrøm. Modellene som passer best, peker mot en relativt massiv mørk materie-halo.

Hvorfor metoden er interessant

Ultradiffuse galakser har svært få synlige stjerner. Det gjør den totale massen vanskelig å beregne med vanlige målinger av stjernenes hastigheter alene. En stjernestrøm gir en annen type informasjon: I stedet for bare å måle bevegelsen til enkeltstjerner undersøker man formen på et langt større, forstyrret system.

Oyashio er dermed mer enn en vakker, svak bue på et astronomisk bilde. Den kan bli et nytt verktøy for å sammenligne den synlige massen med den mørke massen i lyssvake galakser utenfor Melkeveien.

Hva som fortsatt kan endre bildet

Studien presenterer strukturen som et lovende bevis, ikke som en fullstendig og endelig karakterisert stjernestrøm. Objektet er ekstremt svakt, og beregningene av haloens egenskaper avhenger blant annet av antakelser om hvordan stamkulehopen har mistet masse, hvilken tredimensjonal bane den har hatt, og hvilken form galaksehaloen har.

Observasjonen forteller derfor ikke hva mørk materie består av. Den måler gravitasjonsmiljøet som stjernene beveger seg i. Flere bekreftede stjernestrømmer og bedre bestemte baner vil være nødvendig for å finne ut om UGC 9050-Dw1 er typisk – eller uvanlig rik på mørk materie.

2. Et gammasignal ved 43,2 GeV kan undersøke mørk materie-partikler

Det andre resultatet kommer fra en ny analyse av 15,5 år med offentlig tilgjengelige data fra Fermi Large Area Telescope, vanligvis kalt Fermi-LAT. Forskerne undersøkte retningen mot 13 nærliggende, massive galaksehoper og rapporterte en smal funksjon nær 43,2 GeV.

Signalet er sterkest når dataene fra Virgo, Fornax og Ophiuchus analyseres samlet. Dette er de tre hopene i utvalget som forventes å ha de største såkalte J-faktorene – et mål på hvor sterkt et mulig signal fra utslettelse av mørk materie kan bli. Den rapporterte teststatistikken er rundt 30 for disse tre systemene og rundt 21 når ti andre galaksehoper tas med.

En smal gammastrålelinje er interessant fordi vanlige høyenergiprosesser i verdensrommet ofte lager brede og jevnt fordelte energispektre. Utslettelse eller henfall av mørk materie som involverer fotoner, kan derimot skape en linjelignende struktur. I den enkleste to-fotonstolkningen ville en linje nær 43 GeV peke mot en mørk materie-partikkel med omtrent samme masse.

Hvorfor dette ikke er en oppdagelse ennå

Funksjonen er ikke ny eller uavhengig nok til å fastslå at mørk materie er observert. Tidligere Fermi-analyser har også rapportert et foreløpig utslag nær 43 GeV, men fant ingen globalt statistisk signifikant linje. En senere analyse med 11,4 års data fant fortsatt et hint, samtidig som teststatistikken hadde falt og viste følsomhet for hvordan hendelsene ble valgt ut.

Det nye resultatet bygger fortsatt på ett instrument og et utvalgt sett med mål. Modelleringen av bakgrunnen, energikalibreringen, antallet mulige energier og mål som er undersøkt, antakelser om galaksehopenes mørk materie-profiler og uoppdagede gammastrålekilder kan alle påvirke resultatet. Tidligere arbeid med Virgo har dessuten vist at tilsynelatende utstrakt gammastråling kan påvirkes av punktkilder som ikke er blitt skilt fra hverandre.

At det ikke finnes et tilsvarende signal mot de indre delene av Melkeveien, skaper også problemer for en enkel og standard forklaring basert på utslettende mørk materie. Analysen finner dessuten ingen tilhørende kontinuerlig gammastråling i Virgo, noe som begrenser flere konvensjonelle modeller. En uvanlig astrofysisk forklaring kan derfor fortsatt ikke utelukkes.

To funn – to ulike spørsmål

Stjernestrømmen og gammasignalet utfyller hverandre fordi de undersøker forskjellige sider av mørk materie:

• Oyashio spør hvor mørk materie finnes, og hvordan den påvirker omgivelsene. Stjernene reagerer på galaksens gravitasjonsfelt, slik at forskerne kan modellere haloen.
• Gammasignalet spør hva mørk materie kan være. Hvis utslaget skyldes henfall eller utslettelse, kan energien og spekteret begrense massen og vekselvirkningene til en mulig partikkel.

Stjernestrøm-resultatet er foreløpig det sikreste observasjonelle fremskrittet. Det introduserer en ny dynamisk metode, men hevder ikke at en bestemt partikkel er oppdaget. Gammastråleresultatet ville vært mer direkte dersom det ble bekreftet, men tolkningen er langt mer spekulativ.

Hva fremtidige observasjoner må vise

For Oyashio er det viktigste neste steget å finne flere stjernestrømmer fra kulehoper utenfor Melkeveien. Forskerne må kunne følge strømmene over større avstander, måle avstander og hastigheter der det er mulig, og undersøke om formene deres viser hull, asymmetrier eller andre tegn på mindre strukturer i haloen. En større gruppe objekter vil også redusere risikoen for å trekke brede konklusjoner fra én uvanlig galakse.

For gammasignalet vil en uavhengig detektor med mange fotoner og bedre energioppløsning rundt 43 GeV være den tydeligste testen. Et overbevisende signal bør dukke opp ved samme energi i uavhengige data, ha den relative lysstyrken som forventes ut fra galaksehopenes mørk materie-fordeling, følge galaksehopene fremfor kjente gammastrålekilder og forsvinne i kontrollprøver fra instrumentet og himmelen.

HERD bygges som et observatorium for høyenergetisk kosmisk stråling og gammastråling, med søk etter mørk materie blant de vitenskapelige målene. Planlagt oppskyting er oppgitt til 2027, og instrumentet skal installeres på Kinas romstasjon. Informasjon om fremtidige gammastråleinstrumenter oppgir også en energioppløsning på omtrent 1 prosent for HERD og GAMMA-400, sammenlignet med rundt 10 prosent for Fermi-LAT ved 100 GeV. Det kan gjøre det lettere å skille en ekte, smal linje fra en bredere spektral funksjon.

Hvis fremtidige instrumenter ikke gjenskaper overskuddet ved 43,2 GeV med tilstrekkelig følsomhet, vil resultatet i stedet legge begrensninger på modeller som forutsier linjedannende prosesser i mørk materie. Hvis signalet blir gjentatt – og energien og lysstyrken følger den forventede fordelingen av mørk materie – vil forklaringen fra partikkelfysikken stå langt sterkere.

Konklusjonen

Oyashio flytter kartleggingen av mørk materie med stjernestrømmer utenfor Melkeveien. Den ultradiffuse galaksen blir dermed et laboratorium der forskerne kan undersøke den usynlige massen gjennom dens gravitasjon.

Gammasignalet ved 43,2 GeV er et mulig partikkelsignal i Fermi-data fra galaksehoper, men kan fortsatt skyldes statistikk, instrumentelle effekter eller ukjente astrofysiske kilder.

Til sammen viser funnene hvorfor mørk materie må undersøkes fra flere kanter. Gravitasjonelle spor kan avsløre hvordan den er fordelt, mens partikkelsøk en dag kan fortelle hva den består av. Foreløpig er begge deler lovende ledetråder – ikke bevis.