En gammastrålelinje ved 43 GeV kan peke mot mørk materie – men det er ikke en oppdagelse ennå

Et forskerteam med tilknytning til Det kinesiske vitenskapsakademiet har rapportert et smalt overskudd av gammastråling ved omtrent 43,2 gigaelektronvolt (GeV). Funnet kommer fra en analyse av 15,5 år med offentlig tilgjengelige data fra Fermi Large Area Telescope, ofte forkortet Fermi-LAT. Forskerne undersøkte retningen mot 13 nærliggende, massive galaksehoper. Virgo, Fornax og Ophiuchus sto for det sterkeste bidraget. 18

Resultatet er interessant fordi en smal gammastrålelinje er et av de tydeligste indirekte signalene som enkelte modeller for mørk materie forutsier. Men dette er fortsatt et mulig kandidatsignal – ikke en bekreftet påvisning av mørk materie.

Hva forskerne rapporterte

Teamet brukte en såkalt stablingsanalyse. Det innebærer at observasjoner fra flere galaksehoper kombineres for å gjøre et svakt signal lettere å se. Den linjelignende strukturen ligger nær 43,2 GeV og er fortsatt synlig når de øvrige galaksehopene tas med, selv om Virgo, Fornax og Ophiuchus – som forventes å ha de sterkeste mørk-materie-signalene – bidrar mest. 18

For disse tre galaksehopene oppgir forskerne en teststatistikk på omtrent 30. Det sier noe om hvor sterkt signalet fremstår innenfor analysen, men bør ikke automatisk tolkes som en endelig oppdagelsesstatistikk korrigert for alle prøvinger og analysevalg. 18

Hvorfor en skarp linje kan passe med WIMP-tilintetgjørelse

WIMP-er, eller svakt vekselvirkende massive partikler, er hypotetiske kandidater til mørk materie. I en spesielt karakteristisk prosess kan to WIMP-er tilintetgjøre hverandre og danne to fotoner. Dersom partiklene beveger seg sakte sammenlignet med lyshastigheten, vil fotonene få nesten samme energi. På et energispekter kan dette gi en smal linje.

Det skiller seg fra de brede gammastrålespektrene som ofte oppstår gjennom kosmisk stråling og mange vanlige astrofysiske kilder. En linje som i tillegg dukket opp ved riktige energier, i riktige områder og med den romlige fordelingen mørk materie forventes å ha, ville derfor vært et uvanlig sterkt indirekte bevis.

Energien alene avslører imidlertid ikke massen til den mørke-materie-partikkelen. Sammenhengen avhenger av hvilken tilintetgjørelseskanal og hvilken modell man antar. En fotonlinje ved 43,2 GeV er derfor et mulig tegn på en bestemt prosess – ikke en direkte massebestemmelse av en WIMP.

Det er bakgrunnen for at en bekreftet gammastrålelinje noen ganger omtales som en «smoking gun» i mørk-materie-forskningen. Uttrykket viser til signalets svært særegne form, ikke til at dette resultatet allerede er avgjørende.

Slik undersøkte de mulige instrumentfeil

Analysen brukte Fermi-LATs Pass 8-data. Forskerne undersøkte også kontrollutvalg og instrumentrelaterte variabler for å se om en tilsvarende struktur dukket opp der man ikke forventet et signal fra galaksehoper. Forfatternes tolkning er at testene ikke viste en åpenbar instrumentgenerert linje ved 43 GeV. 23

Det er en viktig kontroll, men den utelukker ikke alle systematiske feil. Kalibrering, energirekonstruksjon, eksponeringsmodellering, utvalg av hendelser og ufullstendige modeller for diffus bakgrunnsstråling eller punktkilder kan alle påvirke et linjesøk. Et signal kan overleve én analyse og likevel forsvinne når dataene behandles på nytt eller undersøkes med en annen metode.

De viktigste begrensningene

Det er flere grunner til å være forsiktig:

• Signalet er ikke helt nytt. Tidligere Fermi-analyser rapporterte et foreløpig signal nær 43 GeV i nærliggende galaksehoper. En senere analyse av 11,4 år med Fermi-LAT-data fant derimot ingen statistisk signifikant linje. Signalet ble betydelig svakere da en bestemt type hendelser ble utelatt. 19 22
• Resultatet bygger på ett instrument og et utvalgt målområde. Stabling kan øke følsomheten, men gjør også resultatet avhengig av hvilke galaksehoper som velges, hvordan de modelleres og hvordan bakgrunnskildene behandles.
• Forutsigelsen om mørk materie er modellavhengig. Det forventede signalet avhenger blant annet av tetthetsprofilene til mørk materie i galaksehopene, mulig understruktur, hvilken tilintetgjørelseskanal som antas og den såkalte annihilasjons-tverrsnittet.
• En linjelignende tilfeldighet er fortsatt mulig. Statistiske fluktuasjoner, astrofysisk stråling eller en ukjent systematisk feil i analysen kan etterligne en smal linje.

Den mest presise beskrivelsen er derfor et kandidatsignal i gammastråling som er forenlig med en mørk-materie-tolkning – ikke et bevis på at WIMP-er er identifisert.

Ikke det samme som den rapporterte 20 GeV-gløden fra Melkeveien

Klyngeanalysen må også skilles fra en separat analyse av omtrent 15 år med Fermi-LAT-observasjoner, ledet av Tomonori Totani. Der ble det rapportert et bredt, haloformet overskudd som topper seg nær 20 GeV rundt sentrum av Melkeveien. Studien argumenterte for at spekteret og formen kunne være forenlige med tilintetgjørelse av mørk materie. 1

De to påstandene gjelder ulike observasjoner:

• Klyngeanalysen ser etter en smal linje nær 43,2 GeV fra retninger mot galaksehoper utenfor Melkeveien.
• Totanis analyse ser etter et bredt overskudd nær 20 GeV i den galaktiske haloen.

Det ene resultatet bekrefter ikke automatisk det andre. En og samme WIMP-modell måtte forklare begge energiene, de romlige mønstrene og eventuelle andre signaler på en konsistent måte.

En separat analyse har dessuten argumentert for at mørk-materie-tolkningen av 20 GeV-overskuddet kan innebære en antiprotonfluks som ligger over observasjonene fra AMS-02. Det illustrerer hvorfor mulige gammastrålesignaler må kontrolleres mot flere typer observasjoner. 2

På samme måte er en analyse som ikke kan utelukke mørk materie som kilde til en sentral gammastråleglød, ikke en positiv identifikasjon. Hvis analysen ikke klarer å skille mørk materie fra alternativer som uoppdagede pulsarer eller feil i modellen for diffus stråling, er beviset svakere enn et unikt mørk-materie-signal.

Hva kan bekrefte eller avkrefte 43 GeV-signalet?

De neste testene bør gjøre det vanskelig for en instrumentartefakt eller en overtilpasset bakgrunnsmodell å gjenskape signalet.

Mer Fermi-data og uavhengige analysevalg

Flere observasjoner kan vise om overskuddet vokser slik man forventer når datamengden øker. Forskerne kan også undersøke om signalet er stabilt på tvers av hendelsesklasser, innfallsvinkler, tidsperioder, valg for energirekonstruksjon og uavhengig valgte kontroll- og klyngeutvalg.

Et ekte himmelsignal bør ligge ved samme energi og bør ikke være sterkt avhengig av én bestemt instrumentkonfigurasjon eller et snevert valg av data.

Uavhengige gammastråleinstrumenter

En observasjon med et annet instrument som har passende energioppløsning, ville vært særlig verdifull. Romobservatorier som DAMPE, i tillegg til fremtidige eller komplementære bakkebaserte gammastråleanlegg der energiområdet passer, kan lete etter en tilsvarende struktur nær 43 GeV i de samme galaksehopene.

Den sterkeste bekreftelsen ville kombinere tre funn: samme energi, de samme galaksehopene og en vinkel- og romfordeling som stemmer med den forventede mørk-materie-profilen. En uteblitt observasjon ved tilstrekkelig følsomhet ville på sin side svekke tolkningen eller legge begrensninger på den foreslåtte tilintetgjørelsesraten.

Andre partikkel- og astrofysiske søk

Forskerne må også sammenligne klyngetolkningen med gammastråledata fra dverggalakser, andre tilintetgjørelseskanaler, kosmisk stråling og begrensninger fra kosmologi og partikkelfysikk. Mørk materie bør ikke forklare ett overskudd samtidig som modellen skaper en uunngåelig motsetning et annet sted.

En annen strategi: bølgeaktig mørk materie og kvantebiter

Forslag knyttet til Universitetet i Tokyo retter seg mot et helt annet område i parameterrommet for mørk materie. I stedet for å lete etter WIMP-tilintetgjørelser og GeV-fotoner, undersøker de ultralette, bølgeaktige kandidater som skjulte fotoner og aksioner.

Et felt av skjulte fotoner kan skape et ekstremt svakt, oscillerende elektrisk felt. Når frekvensen passer med en superledende transmon-kvantebit, kan feltet drive kvantebiten fra grunntilstanden til en eksitert tilstand. I et aksionssøk kan et ytre magnetfelt omdanne aksionfeltet til et oscillerende elektrisk signal som på tilsvarende måte kan eksitere kvantebiten. 33 36

Et mikrobølgeresonanshulrom med høy kvalitet kan forsterke vekselvirkningen ved å lagre det elektromagnetiske feltet. Sammenfiltrede kvantebiter og fasesensitive målinger kan deretter samle signalet koherent eller øke skannehastigheten. Foreslåtte kvanteinterferensmetoder gir en signalrate som skalerer gunstigere med antallet kvantebiter enn det å bare legge sammen mange uavhengige sensorer. 34 37

Den største praktiske utfordringen er dekoherens. Termiske fotoner, tap i hulrommet, kontrollfeil, ufullkommen sammenfiltring og støy i avlesningen kan ødelegge faseinformasjonen som gir kvantefordelen. Et fungerende eksperiment vil derfor trenge svært kalde og godt skjermede hulrom, kvantebiter med lang levetid, nøye kalibrerte elektromagnetiske omgivelser, gjentatte koherente målinger og robuste metoder for feilreduksjon.

Kvantebit- og hulromssystemer er lovende metoder for fremtidige søk, men de er ikke bevis på at bølgeaktig mørk materie allerede er observert. De viser også hvorfor forskere bruker flere teknologier: en gammastrålelinje, en eksitasjon i en kvantebit og et kosmisk strålesignal undersøker ulike kandidater og ulike fysiske mekanismer.

Kort oppsummert

Den kinesiskledede Fermi-analysen rapporterer et interessant, linjelignende signal ved 43,2 GeV fra nærliggende galaksehoper, særlig Virgo, Fornax og Ophiuchus. Den smale formen er teoretisk spennende fordi direkte WIMP-tilintetgjørelse til fotoner kan gi et tilsvarende særpreget signal. 18

Men historien til foreløpige gammastrålelinjer – og at en tidligere analyse ikke bekreftet et beslektet signal ved 43 GeV – tilsier at resultatet bør behandles som en hypotese som må etterprøves. Mer Fermi-data, uavhengige instrumenter, alternative bakgrunnsmodeller og komplementære søk vil avgjøre om dette er et sjeldent glimt av mørk materie eller nok et overbevisende, men forbigående trekk i et vanskelig gammastråledatasett.