Біздің үй галактикасының орталығындағы қараңғы материя 

Ферми телескопы біздің үй галактикамыздың орталығында сфералық емес және тегіс болып көрінген γ-сәулелерінің артық сәулеленуін таза түрде бақылады. Галактикалық орталықтың артықтығы (GCE) деп аталатын бұл артық γ-сәуле – қараңғы материя бөлшектеріне үміткер әлсіз әрекеттесетін массивтік бөлшектердің (WIMP) өздігінен жойылуының өнімі ретінде пайда болатын қараңғы материяның мүмкін белгісі. Алайда галактикалық орталықта байқалған артық γ-сәуле де ескі миллисекундтық пульсарларға (MSP) байланысты болуы мүмкін. Осы уақытқа дейін қараңғы материяға (DM) байланысты GCE морфологиясы сфералық болады деп есептелді. Жақында жүргізілген симуляциялық зерттеу DM-ге байланысты гамма-сәулелік морфологияның айтарлықтай шар тәрізді емес және тегіс болуы мүмкін екенін көрсетті. Бұл байқалған GCE үшін қараңғы материяның (DM) аннигиляциясы және миллисекундтық пульсарлар (MSPs) гипотезалары бірдей мүмкін екенін білдіреді. Қараңғы материяның (DM) жойылуы кезінде пайда болатын гамма-сәулелердің шамамен 0.1 тера-электрон-вольт (TeV) өте жоғары энергия деңгейі болады. Стандартты гамма-сәулелік телескоптар бұл жоғары энергиялы фотондарды тікелей анықтай алмайды. Демек, Черенков телескоп массиві обсерваториясы (CTAO) және Оңтүстік кең өрісті гамма-сәулелік обсерваториясы (SWGO) сияқты тера γ-сәулелері обсерваторияларымен зерттеулер аяқталғаннан кейін Галактикалық орталықтың артықшылығының (GCE) қараңғы материяның (DM) моделін растау мүмкін болады.

Қараңғы материяның тарихы 1933 жылы Фриц Цвикки кома кластеріндегі жылдам қозғалатын галактикалар бір-бірімен бірге ұстай алмайтынын және қандай да бір түрде көрінбейтін, бірақ галактикалардың ыдырауын тоқтату үшін жеткілікті гравитациялық әсер ететін қосымша материясыз тұрақты болып қала алмайтынын байқаған кезде басталды. Ол мұндай көрінбейтін материяға қатысты «қараңғы материя» терминін енгізді. 1960 жылдары Вера Рубин қараңғы материяны түсінуге үлкен үлес қосты. Ол Андромеданың және басқа галактикалардың сыртқы шеттеріндегі жұлдыздардың орталыққа қарай жұлдыздардың жылдамдығындай жылдамдықпен айналатынын атап өтті. Барлық бақыланатын заттардың берілген сомасы үшін галактика бір-бірінен ұшып кетуі керек, бұл галактикаларды бірге ұстап тұратын және олардың жоғары жылдамдықпен айналуына әкелетін кейбір қосымша көрінбейтін заттардың болуын қажет етеді. Оның Андромеда галактикасының айналу қисықтарын өлшеуі қараңғы материяның алғашқы дәлелдерін берді.  

Енді біз қараңғы материяның жарықпен немесе электромагниттік күшпен әрекеттеспейтінін білеміз. Ол жарықты немесе басқа электромагниттік сәулелерді сіңірмейді, шағылыспайды немесе шығармайды және көрінбейді, сондықтан қараңғы деп аталады. Бірақ ол гравитациялық түрде топтасады және кәдімгі материяға гравитациялық әсер етеді және оның кеңістікте болуы жалпы осылай шығарылады. Галактикалар ғаламның массалық энергиясының 26.8% құрайтын қараңғы материяның гравитациялық әсері арқылы тепе-теңдікте ұсталады, ал бүкіл бақыланатын ғалам, оның ішінде бариондық қарапайым материяны қоса алғанда, барлығымыз ғаламның 4.9% құрайды. Ғаламның массалық энергиясының қалған 68.3%-ы қара энергия болып табылады.  

Қараңғы материяның шын мәнінде не екені белгісіз. Құрамында іргелі бөлшектер жоқ Стандартты модель қараңғы материя болуы үшін қажетті қасиеттерге ие. Стандартты үлгідегі бөлшектердің серіктесі болып табылатын гипотетикалық «суперсимметриялық бөлшектер» қараңғы материяны жасауы мүмкін. Қараңғы материяның параллель әлемі бар шығар. WIMP (әлсіз әрекеттесетін массивтік бөлшектер), аксиондар немесе стерильді нейтринолар стандартты үлгіден тыс гипотезалық бөлшектер болып табылады, олар жетекші үміткерлер болып табылады. Алайда мұндай бөлшектерді анықтауда әлі табысқа қол жеткізілген жоқ.  

Бірнеше жобалар бар (мысалы XENON эксперименті, DarkSide-20k жобасы, EURECA Rxperiment, және RES-NOVA) қазір қараңғы зат бөлшектерін тікелей анықтау үшін жүргізілуде. Бұл негізінен қара зат бөлшектерінің өзара әрекеттесуінен әлсіз сигналдарды анықтауға арналған сұйық асыл газ детекторлары немесе криогендік детекторлар. Дегенмен, көптеген жаңа тәсілдерге қарамастан, әлі ешбір жоба қараңғы материя бөлшектерін тікелей анықтай алмады. 

Қараңғы материяның жанама дәлелдері үшін қараңғы материяның гравитациялық әсерін іздеуге болады, өйткені Фриц Цвики мен Вера Рубин байқалатын қарапайым материя үшін жылдамдықтары пропорционалды емес жоғары болғанына қарамастан, галактикалардың қалай бірге ұсталатынын зерттеу арқылы қараңғы материяны ашқан. Линзаның гравитациялық әсерлері (жарықтың иілісі) және жұлдыздардың ғарыштағы қозғалысына әсерлері де қараңғы материяның бар екендігінің жанама дәлелдерін бере алады. Сонымен қатар, қараңғы материяның бөлшектері ғарышта бір-бірімен соқтығысқан кезде пайда болатын аннигиляция өнімдері (мысалы, гамма-сәулелері, нейтрино және ғарыштық сәулелер) қараңғы материяның бар екенін көрсете алады. Қараңғы материя бөлшектерінің жойылу өнімдері негізінде болжанған осындай орындардың бірі - біздің үй Галактика Құс жолы орталығы.  

Құс жолы галактикасының орталығында қараңғы материяны анықтау  

Құс жолы (МВт) орталығында шамадан тыс диффузиялық микротолқынды орталық жарқырау белгілері болды. Артық жарқырау WIMP қараңғы материяның аннигиляциясында пайда болған релятивистік электрондар мен позитрондардың синхротрондық эмиссиясына байланысты болды, демек бірнеше жүз ГэВ-қа дейінгі энергетикалық диапазондағы кеңейтілген диффузиялық γ-сәулелік сигналы болжанады. Кейінірек Ферми-Үлкен аймақтық телескоп (LAT) галактикалық орталықтың асып кетуі (GCE) ретінде анықталған γ-сәулелік сигналын анықтады. Көп ұзамай Галактикалық орталықтың артықтығы (GCE) ескі нейтрондық жұлдыздарға (миллисекундтық пульсарлар) байланысты болуы мүмкін екендігі анықталды. GCE морфологиясы маңызды болады деп ойлады - симметриялы сфералық пішінді GCE қараңғы материяның (DM) бөлшектерін жоюдан γ-сәулеленуінің көрсеткіші болады, ал GCE-нің тегістелген морфологиясы миллисекундтық пульсарлардың (MSP) γ-сәулелерінің эмиссиясын болжайды.  

Ферми-Үлкен аймақтық телескоптың (LAT) көмегімен Құс жолы галактикалық орталығына кең көлемді бақылау жүргізілгенде, тегістелген асфера анықталды. Әдетте, байқалған асфериялықты ескі жұлдыздармен (MSP) байланыстыруға болады, дегенмен 2025 жылдың 16 қазанында жарияланған соңғы зерттеу ескі жұлдыздар (MSP) және қараңғы материя (DM) аннигиляция модельдері болжаған GCE морфологиялары бір-бірінен ажыратылмайды деген қорытындыға келді.   

Қараңғы материяның таралуын зерттеу үшін зерттеушілер MW (Құс жолы) тәрізді галактикалардың морфологиясын модельдеуді жүргізді. Олар галактикалардың айналасындағы, сондай-ақ галактикалардың орталық аймақтарының айналасындағы қараңғы материя ореолдары анизотропты модельде болжанғандай сирек шар тәрізді болатынын анықтады. Оның орнына, талдау барлық галактикалар үшін тегістелген қараңғы материяның тығыздығы проекциясын көрсетті. Бұл осьтік симметриялы емес қараңғы материяның (ҚМ) таралуы Ғалам тарихындағы алғашқы үш миллиард жылдағы Құс жолы галактикасының қосылу тарихы арқылы да көрсетілді. Бақыланатын GCE морфологиясы орталық аймақта тегістелген, бұл әдетте ескі жұлдыздардың (MSP) таралуына тән деп саналады. Жаңа зерттеу қараңғы материяның (DM) ұқсас қораптық үлестіруді тудыратынын көрсетті. Осылайша, байқалған GCE үшін қараңғы материяның (DM) аннигиляциясы және миллисекундтық пульсарлар (MSPs) гипотезалары бірдей мүмкін.   

Бақыланатын GCE қараңғы материяға (DM) немесе миллисекундтық пульсарларға (MSP) байланысты ма, Черенков телескоптық массивінің обсерваториясы (CTAO) және Оңтүстік кең өрісті гамма-сәулелік обсерваториясы (SWGO) сияқты γ-сәулелік обсерваториялары болашақта тера-гамма-сәулелерін зерттеуді аяқтаған кезде белгілі болады. Галактикалық орталықта қараңғы материяның (DM) аннигиляция өнімі ретінде өндірілген гамма сәулелер шамамен 0.1 тера-электрон-вольт (TeV) өте жоғары энергия деңгейі бар ультра жоғары энергиялы фотондар болады. Стандартты гамма-сәулелік телескоптар бұл жоғары энергиялы фотондарды тікелей анықтай алмайды. Тера-гамма сәулелері CTAO және SWGO сияқты болашақ γ-сәулелік обсерваториялар үшін маңызды нысана болады.  

Бұл зерттеу ғарыштағы қараңғы материяны оның жойылу өнімдері арқылы анықтаудағы алға жасалған қадам, алайда галактикалық орталықта қараңғы материяның болуы болашақта CTAO немесе SWGO сияқты ультра жоғары энергиялы γ-сәулелік обсерваториялармен растауды қажет етеді. Қараңғы материя ғылымындағы әлдеқайда маңызды прогресс кез келген DM бөлшектерін тікелей анықтау болар еді.  

*** 

Әдебиеттер тізімі:  

1. Хочберг, Ю., Кан, Ю.Ф., Лин, РК және т.б. Қараңғы заттарды анықтаудың жаңа тәсілдері. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Мисиасзека М. және Россиб Н. 2024. Қараңғы материяны тікелей анықтау: сыни шолу. Симметрия 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Физика корпускулярлық институты. Қараңғы материяны іздеуде: көрінбейтінін анықтаудың жаңа тәсілі. 22 тамыз 2025 ж. Қол жетімді https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM, et al 2025. Fermi-LAT Галактикалық орталығы Құс жолы галактикасының модельдеуіндегі қара материяның артық морфологиясы. Физикалық шолу хаттары. 135, 161005. 2025 жылғы 16 қазанда жарияланған. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd . arXiv сайтындағы алдын ала басып шығару нұсқасы. 2025 жылдың 8 тамызында жіберілді. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Джонс Хопкинс университеті. Жаңалықтар – Сүт жолындағы жұмбақ жарқырау қараңғы материяның дәлелі болуы мүмкін. 2025 жылдың 16 қазанында жарияланған. Қол жетімді https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Лейбниц астрофизика институты. Жаңалықтар – Құс жолы қараңғы материяның жойылуына байланысты гамма-сәулелерінің артық болуын көрсетеді. 2025 жылдың 17 қазанында жарияланған. Қол жетімді https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Ферми гамма-сәулелік ғарыштық телескоп. қол жетімді https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Черенков телескоптық массив обсерваториясы (CTAO). қол жетімді https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Оңтүстік кең өрісті гамма-сәулелік обсерватория (SWGO). қол жетімді https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Тарту обсерваториясы. Ғаламның қараңғы жағы. қол жетімді https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***