Астрофізики заявили про перше виявлення частинок темної матерії. Досі їх не бачив жоден детектор

Японський астрофізик заявив, що телескоп Фермі зміг побачити частинки темної матерії — так звані вімпи. Досі ці частинки описували лише теоретично, і жодному детектору не вдавалося їх зафіксувати. Фермі ж, на думку вченого, зміг побачити гамма-випромінювання, яке виникло при взаємодії вімпів між собою. Наразі результат потребує підтвердження більшою кількістю спостережень. Однак, якщо інтерпретація даних виявиться правдивою, ці результати стануть першим випадком спостереження за темною матерією напряму. Дослідження опубліковане в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Художнє зображення космічної обсерваторії Фермі, яка зафіксувала імовірне випромінювання від вімпів. NASA / Goddard Space Flight Center

Хіба темну матерію не бачили раніше?

Попри те, що темна матерія займає у п'ять разів більше маси Всесвіту, ніж видима — тобто протони, нейтрони та інші частинки — досі спостерігати її не вдавалося із жодним телескопом чи детектором. Про наявність цієї матерії взагалі відомо лише через її вплив на звичайну внаслідок дії гравітації. Утім, темна матерія все ж має з чогось складатися, подібно до звичайної. І згідно з однією з провідних теорій, вона складається із вімпів (WIMPs) — масивних частинок, що слабко взаємодіють.

Слабка взаємодія в назві цих частинок вказує на те, що вімпи майже не вступають у контакт зі звичайною матерією: вони не поглинають і не випромінюють світло, не відштовхуються електромагнітними силами й долають космічний простір, не лишаючи по собі сліду, який міг би побачити телескоп чи детектор.

Утім, вважається, що вімпи можуть взаємодіяти між собою. У такій взаємодії вони анігілюють та створюють гамма-випромінювання, яке інструменти все ж здатні зареєструвати. Власне, саме таку подію, на думку астрофізика з Токійського університету Томонорі Тотан (Tomonori Totan), зафіксувала космічна гамма-обсерваторія Фермі.

Як це вдалося?

Досі спроби виявити гамма-випромінювання від взаємодії вімпів між собою зосереджувалися на спостереженні центру Чумацького Шляху, де щільність темної матерії найвища. Але цей регіон насичений пульсарами та іншими яскравими джерелами, що ускладнює виявлення слабких сигналів. Тому Тотан вирішив піти іншим шляхом та звернув увагу на галактичне гало — сферу газу, що оточує Чумацький Шлях. Гало «чистіше» для аналізу завдяки відсутності сторонніх джерел випромінювання, хоч сигнал від темної матерії там може бути слабшим.

Галактичне гало Чумацького Шляху, у якому зафіксували характерне для темної матерії гамма-випромінювання. Tomonori Totani / Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2025

Аналізуючи 15 років спостережень обсерваторії Фермі, що охоплювали також область галактичного гало, Тотані виявив надлишок гамма-випромінювання — компонент, який неможливо пояснити відомими джерелами чи моделями взаємодії космічних променів. Найбільш виразною рисою цього надлишку є пік енергії приблизно на рівні 20 гігаелектронвольт. Це у мільйони разів більше, ніж енергія фотонів видимого світла. А також збігається з теоретичними розрахунками для енергії, яка виникатиме при анігіляції вімпів із масою у близько 500 мас протона. Також виявлені Тотаном гамма-промені утворюють гало навколо центру нашої галактики, форма якого майже точно відповідає прогнозам моделей розподілу темної матерії.

За словами науковця, жодне відоме астрофізичне джерело, наприклад наднові, пульсари чи чорні діри не можуть пояснити спостережуване Фермі випромінювання. Однак, водночас спостереження все одно не дозволяють точно встановити природу сигналу. Вони лише узгоджуються з моделлю вімпів, а не доводять її. Тому доведеться шукати більше подібних гамма-сигналів у інших куточках нашої та інших галактик.

Що змінить відкриття вімпів?

Підтвердження існування вімпів означало б, що вчені вперше визначили природу темної матерії — компонента, який становить більшу частину матерії у Всесвіті та визначає його гравітаційну архітектуру. Дослідження властивостей вімпів, засноване на даних спостережень, а не теоретичних припущеннях, дало б змогу значно точніше моделювати розвиток галактик, визначати темп їхнього злиття, масштаби гравітаційного нагріву та перерозподіл маси в космічних системах. Це також відкрило б шлях до побудови нових теоретичних моделей походження та еволюції Всесвіту, які поєднували б космологію й фізику елементарних частинок.

Втім, результати Тотані поки що не можна вважати остаточним доказом існування вімпів. Хоча знайдений ним надлишок випромінювання має спектральні та просторові ознаки, узгоджені з очікуваннями для анігіляції темної матерії, дослідження має низку обмежень. Зокрема результати його розрахунків також покладаються на моделювання взаємодії космічних променів з міжзоряним газом та випромінюванням, що могло внести неточності у характеристики виявленого вченим сигналу.

Які ще є спроби побачити темну матерію

🔍На базі німецького дослідницького центру DESY працює найчутливіший детектор, що шукає аксіони — частинки, які подібно до вімпів, вважаються потенційними носіями темної матерії.

🕳 Вімпи також шукали експерименти COSINE-100 та ANAIS, які намагалися виявити ці частинки глибоко з-під Землі. Утім, успіхів не досягли.

🔭 З космосу темну матерію допоможе шукати новий телескоп «Евклід». Він спробує дізнатися, як темна матерія впливає на рух галактик зараз і у далекому минулому.