Телескопы High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) в Намибии
Темную материю снова попытались поймать на горячем — на этот раз в самом центре Млечного Пути. Международная коллаборация H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) шесть лет искала там характерную «гамма-линию», которая могла бы выдать аннигиляцию гипотетических темных частиц. Сенсации не случилось: статистически значимого сигнала исследователи не обнаружили. Зато эксперимент позволил установить самые жесткие на сегодня ограничения на возможную аннигиляцию тяжелых частиц темной материи. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Бесплатный доступ предлагает сайт arXiv.
Шесть лет смотрели туда, где темной материи должно быть больше всего
Почему ученые вообще решили охотиться за темной материей именно в центре нашей галактики? Согласно современным представлениям, там ее плотность должна быть особенно высокой. Если темная материя состоит из частиц, способных уничтожать друг друга при столкновении, одним из возможных результатов такой аннигиляции должны быть гамма-кванты.
Экспозиция показывает в кв. м/с объем данных, накопленных H.E.S.S. за шесть лет наблюдений за центром Млечного Пути. В общей сложности этот набор данных составляет около 546 часов наблюдений, причем большая часть сосредоточена в красной области на карте. Черные крестики с цифрами, например, 1-X, 2-X и 3-X, показывают условную линию зрения телескопов в разные годы. Черный треугольник соответствует положению Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Автор: H.E.S.S. Collaboration Phys.Особенно интересен случай, когда излучение появляется на строго определенном уровне энергии. Вместо обычного плавного спектра возникает узкая «линия» — своеобразный космический отпечаток. Именно такой след и искали специалисты H.E.S.S.
Для этого использовали массив атмосферных черенковских телескопов в Намибии. Они не фотографируют гамма-лучи напрямую: высокоэнергетические частицы вызывают в атмосфере каскады вторичных частиц и короткие вспышки света, которые регистрируют наземные приборы.
В анализ вошли 546 часов наблюдений, собранных в 2014–2020 годах. Телескопы изучали отголоски частиц из области вокруг центра Млечного Пути и искали узкие скопления гамма-лучей на определенных энергиях.
На изображении показаны верхние пределы предполагаемого сечения аннигиляции (по оси y) тяжелых частиц темной материи. Эти верхние пределы получены без использования какой-либо конкретной теоретической модели темной материи. Автор: H.E.S.S. Collaboration, Phys.Сигнала нет. И это тоже результат
Главный итог оказался одновременно простым и важным: искомой гамма-линии не обнаружили. Но нулевой результат в данном случае не означает, что ученые шесть лет смотрели в пустоту.
Исследователи смогли рассчитать верхние пределы для вероятности аннигиляции темных частиц. При модели распределения темной материи по Эйнасто получены самые жесткие ограничения на такой сигнал среди подобных исследований.
В частности, результаты позволили проверить несколько популярных моделей тяжелой темной материи, включая вино (wino), хиггсино (higgsino) и так называемую квинтуплетную модель (quintuplet model). Впервые в рамках рассмотренных моделей данные H.E.S.S. смогли поставить ограничения и на термальное хиггсино — одного из кандидатов на роль загадочных частиц.
Черенковские телескопы работают в режиме 24/7, регистрируя прилеты высокоэнергетических частиц в атмосферу Земли и картируя на основании полученных данных источники излучения.Проще говоря, ученые пока не выяснили, что именно составляет темную материю, но смогли немного сузить коридор, в котором ей разрешено прятаться.
При этом речь идет о тяжелых частицах с массами в диапазоне, доступном H.E.S.S., — вплоть до тераэлектронвольтных масштабов. Это особенно важно для WIMP — гипотетических слабо взаимодействующих массивных частиц, которые десятилетиями остаются одним из главных кандидатов на роль темной материи.
Нынешнее исследование H.E.S.S. не пытается доказать происхождение загадочного галактического свечения, а ищет конкретный высокоэнергетический признак — гамма-линию, которая могла бы возникнуть при аннигиляции тяжелых частиц темной материи.
Охота продолжается. Следующим крупным инструментом станет строящаяся обсерватория Cherenkov Telescope Array, которая должна обладать большей чувствительностью, более широким полем зрения и лучшим угловым и энергетическим разрешением, чем нынешние черенковские телескопы.
CTA не будет регистрировать гамма-лучи напрямую. Он будет регистрировать черенковский свет — голубую вспышку, возникающую в результате взаимодействия гамма-лучей с атмосферой Земли. CTAO/ESO, CC BYТак что темную материю снова не поймали. Но в научной охоте иногда важнее не добыча, а понимание того, где добычи точно нет.
Результаты нового поиска хорошо вписываются в более широкий астрофизический контекст. Ранее на Hi-Tech Mail мы рассказали, что компьютерный анализ по-прежнему допускает роль темной материи в генерации гамма-лучей из центра Млечного Пути.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
