MIT-natuurkundigen heropenen de mogelijkheid, die ze eerder hadden uitgedoofd, dat een heldere uitbarsting van gammastraling in het centrum van onze melkweg toch het gevolg kan zijn van donkere materie.

Voor jaren, natuurkundigen hebben geweten van een mysterieus overschot aan energie in het centrum van de Melkweg, in de vorm van gammastralen - de meest energetische golven in het elektromagnetische spectrum. Deze stralen worden meestal geproduceerd door de heetste, meest extreme objecten in het heelal, zoals supernova's en pulsars.

Gammastraling wordt gevonden over de schijf van de Melkweg, en voor het grootste deel begrijpen natuurkundigen hun bronnen. Maar er is een gloed van gammastraling in het centrum van de Melkweg, bekend als het galactische centrumoverschot, of GCE, met eigenschappen die voor natuurkundigen moeilijk uit te leggen zijn, gezien hun kennis over de verdeling van sterren en gas in de melkweg.

Er zijn twee leidende mogelijkheden voor wat deze overmaat kan veroorzaken:een populatie van hoog-energetische, snel roterende neutronensterren bekend als pulsars, of, aantrekkelijker, een geconcentreerde wolk van donkere materie, botsen met zichzelf om een ​​overvloed aan gammastralen te produceren.

anno 2015, een MIT-Princeton University-team, waaronder universitair hoofddocent natuurkunde Tracy Slatyer en postdocs Benjamin Safdi en Wei Xue, viel ten gunste van pulsars. De onderzoekers hadden waarnemingen van het galactische centrum geanalyseerd, gemaakt door de Fermi Gamma-ray Space Telescope, met behulp van een "achtergrondmodel" dat ze ontwikkelden om alle deeltjesinteracties in de melkweg te beschrijven die gammastraling zouden kunnen produceren. Ze concludeerden, vrij definitief, dat de GCE hoogstwaarschijnlijk het resultaat was van pulsars, en geen donkere materie.

Echter, bij nieuw werk, onder leiding van MIT-postdoc Rebecca Leane, Slatyer heeft deze claim sindsdien opnieuw beoordeeld. In een poging om de analytische methode van 2015 beter te begrijpen, Slatyer en Leane ontdekten dat het model dat ze gebruikten, in feite 'misleid' kon worden om het verkeerde resultaat te produceren. specifiek, de onderzoekers hebben het model gebaseerd op feitelijke Fermi-waarnemingen, zoals het MIT-Princeton-team deed in 2015, maar deze keer voegden ze een nep-extra signaal van donkere materie toe. Ze ontdekten dat het model dit nepsignaal niet oppikte, en zelfs toen ze het signaal harder zetten, het model bleef aannemen dat pulsars de kern van de overmaat waren.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , markeer een "mismodelleringseffect" in de analyse van 2015 en heropen wat velen dachten dat het een gesloten zaak was.

"Het is opwindend omdat we dachten dat we de mogelijkheid hadden geëlimineerd dat dit donkere materie is, " zegt Slatyer. "Maar nu is er een maas in de wet, een systematische fout in de bewering die we hebben gedaan. Het opent de deur weer voor het signaal dat het van donkere materie komt."

Het centrum van de Melkweg:korrelig of glad?

Terwijl het Melkwegstelsel min of meer lijkt op een platte schijf in de ruimte, de overmaat aan gammastraling in het midden beslaat een meer bolvormig gebied, verlengt ongeveer 5, 000 lichtjaar in elke richting vanaf het galactische centrum.

In hun onderzoek uit 2015 Slatyer en haar collega's hebben een methode ontwikkeld om te bepalen of het profiel van dit bolvormige gebied glad of 'korrelig' is. Ze redeneerden dat, als pulsars de bron zijn van de overmaat aan gammastraling, en deze pulsars zijn relatief helder, de gammastralen die ze uitzenden zouden een bolvormig gebied moeten bewonen dat, wanneer afgebeeld, ziet er korrelig uit, met donkere openingen tussen de heldere plekken waar de pulsars zitten.

Indien, echter, donkere materie is de bron van het teveel aan gammastraling, het bolvormige gebied moet er glad uitzien:"Elke gezichtslijn naar het galactische centrum heeft waarschijnlijk donkere materiedeeltjes, dus ik zou geen gaten of koude plekken in het signaal moeten zien, ' legt Slater uit.

Zij en haar team gebruikten een achtergrondmodel van alle materie en gas in de melkweg, en alle deeltjesinteracties die kunnen optreden om gammastraling te produceren. Ze overwogen modellen voor het bolvormige gebied van de GCE die aan de ene kant korrelig of aan de andere kant glad waren, en bedacht een statistische methode om het verschil tussen hen te zien. Vervolgens voerden ze de feitelijke waarnemingen van het bolvormige gebied in het model in, genomen door de Fermi-telescoop, en keek of deze waarnemingen meer pasten bij een glad of korrelig profiel.

"We zagen dat het 100 procent korrelig was, en dus zeiden we, 'Oh, donkere materie kan dat niet, dus het moet iets anders zijn '" herinnert Slatyer zich. "Mijn hoop was dat dit slechts de eerste van vele studies zou zijn van het galactische centrumgebied met vergelijkbare technieken. Maar tegen 2018, de belangrijkste kruiscontroles van de methode waren nog steeds degene die we in 2015 hadden gedaan wat me behoorlijk nerveus maakte dat we misschien iets hebben gemist."

Een nep planten

Na aankomst bij MIT in 2017, Leane raakte geïnteresseerd in het analyseren van gammastralingsgegevens. Slatyer stelde voor om de robuustheid van de in 2015 gebruikte statistische methode te testen. om het resultaat beter te begrijpen. De twee onderzoekers stelden de moeilijke vraag:onder welke omstandigheden zou hun methode stuk gaan? Als de methode de ondervraging doorstond, ze konden vertrouwen hebben in het oorspronkelijke resultaat van 2015. Indien, echter, ze ontdekten scenario's waarin de methode instortte, het zou suggereren dat er iets mis was met hun aanpak, en misschien zou donkere materie nog steeds in het centrum van de overmaat aan gammastraling kunnen zijn.

Leane en Slatyer herhaalden de aanpak van het MIT-Princeton-team uit 2015, maar in plaats van de Fermi-gegevens van het model in te voeren, de onderzoekers maakten in wezen een nepkaart van de lucht, inclusief een signaal van donkere materie, en pulsars die niet geassocieerd waren met de overmaat aan gammastraling. Ze voerden deze kaart in het model in en ontdekten dat, ondanks dat er een signaal van donkere materie is in het bolvormige gebied, het model concludeerde dat deze regio hoogstwaarschijnlijk korrelig was en daarom werd gedomineerd door pulsars. Dit was de eerste aanwijzing, Slatyer zegt, dat hun methode 'niet onfeilbaar was'.

Op een conferentie om hun resultaten tot nu toe te presenteren, Leane had een vraag van een collega:wat als ze een nepsignaal van donkere materie zou toevoegen dat werd gecombineerd met echte observaties, in plaats van met een nep-achtergrondkaart?

Het team ging de uitdaging aan, het model voeden met gegevens van de Fermi-telescoop, samen met een nepsignaal van donkere materie. Ondanks de bewuste plant, hun statistische analyse miste opnieuw het signaal van donkere materie en gaf een korrelig, pulsar-achtig beeld. Zelfs toen ze het signaal van donkere materie vier keer zo groot maakten als het werkelijke overschot aan gammastraling, hun methode zag het niet.

"In dat stadium, Ik was behoorlijk opgewonden, omdat ik wist dat de implicaties erg groot waren - het betekende dat de verklaring van donkere materie weer op tafel lag, ' zegt Leane.

Zij en Slatyer werken eraan om de vooringenomenheid in hun aanpak beter te begrijpen, en hopen deze vooringenomenheid in de toekomst weg te werken.

"Als het echt donkere materie is, dit zou het eerste bewijs zijn dat donkere materie interageert met zichtbare materie door andere krachten dan de zwaartekracht, ', zegt Leane. 'De aard van donkere materie is op dit moment een van de grootste open vragen in de natuurkunde. Door dit signaal als donkere materie te identificeren, kunnen we eindelijk de fundamentele identiteit van donkere materie blootleggen. Wat het eigen risico ook blijkt te zijn, we zullen iets nieuws leren over het universum."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.