Темная материя в центре нашей родной галактики 

Телескоп Fermi сделал чёткое наблюдение избыточного γ-излучения в центре нашей родной галактики, которое выглядело несферическим и сплющенным. Называемое избытком галактического центра (GCE), это избыточное γ-излучение является возможным признаком темной материи, возникающей в результате самоаннигиляции слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), кандидатов на частицы темной материи. Однако избыток γ-излучения, наблюдаемый в центре галактики, может также быть вызван старыми миллисекундными пульсарами (MSP). До сих пор считалось, что морфология GCE, обусловленная темной материей (DM), будет сферической. Недавнее исследование с помощью моделирования показывает, что морфология гамма-излучения, обусловленная DM, может быть существенно несферической и сплющенной. Это означает, что гипотезы как аннигиляции темной материи (DM), так и миллисекундных пульсаров (MSP) для наблюдаемого GCE одинаково возможны. Гамма-лучи, образующиеся при аннигиляции тёмной материи (ТМ), будут иметь чрезвычайно высокий уровень энергии, приблизительно 0.1 тераэлектронвольта (ТэВ). Стандартные гамма-телескопы не могут напрямую регистрировать эти высокоэнергетические фотоны. Следовательно, подтверждение модели тёмной материи (ТМ) для Галактического Центра Избытка (GCE) станет возможным после завершения исследований в тера-γ-обсерваториях, таких как Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) и Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO).

История темной материи началась в 1933 году, когда Фриц Цвикки заметил, что быстро движущиеся галактики в скоплении Волосы Вероники не могут удерживаться вместе и оставаться стабильными без присутствия дополнительной материи, которая каким-то образом невидима, но оказывает достаточное гравитационное воздействие, чтобы предотвратить распад галактик. Он ввел термин «темная материя» для обозначения такой невидимой материи. В 1960-х годах Вера Рубин внесла основополагающий вклад в наше понимание темной материи. Она отметила, что звезды на внешних краях Андромеды и других галактик вращаются с такой же скоростью, что и скорости звезд по направлению к центру. Для данной суммы всей наблюдаемой материи галактика должна была бы разлететься, что потребовало бы присутствия некоторой дополнительной невидимой материи, которая удерживает галактики вместе и заставляет их вращаться с высокими скоростями. Ее измерения кривых вращения галактики Андромеды предоставили самые ранние свидетельства существования темной материи.  

Теперь мы знаем, что тёмная материя не взаимодействует со светом или электромагнитными силами. Она не поглощает, не отражает и не испускает свет или любое другое электромагнитное излучение и невидима, поэтому её называют тёмной. Но она гравитационно группируется и оказывает гравитационное воздействие на обычную материю, и именно так обычно предполагается её присутствие в космосе. Галактики удерживаются вместе в равновесии благодаря гравитационному воздействию тёмной материи, которая составляет до 26.8% от массы и энергии Вселенной, в то время как вся наблюдаемая Вселенная, включая всю барионную обычную материю, из которой мы все состоим, составляет лишь 4.9% Вселенной. Остальные 68.3% от массы и энергии Вселенной приходится на тёмную энергию.  

Неизвестно, что на самом деле представляет собой темная материя. Ни одна из фундаментальных частиц Стандартной модели не обладает свойствами, необходимыми для того, чтобы быть темной материей. Возможно, гипотетические «суперсимметричные частицы», являющиеся партнерами частиц Стандартной модели, образуют темную материю. Возможно, существует параллельный мир темной материи. WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы), аксионы или стерильные нейтрино — это гипотетические частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, которые являются ведущими кандидатами. Однако пока не удалось обнаружить такие частицы.

В настоящее время реализуется несколько проектов (таких как эксперимент XENON, проект DarkSide-20k , эксперимент EURECA и RES-NOVA ), направленных на прямое обнаружение частиц темной материи. В основном это детекторы на основе жидких благородных газов или криогенные детекторы, предназначенные для обнаружения слабых сигналов от взаимодействий частиц темной материи. Однако, несмотря на множество новых подходов, ни одному проекту пока не удалось напрямую обнаружить ни одной частицы темной материи.

Для косвенных доказательств существования темной материи можно искать гравитационные эффекты, как это сделали Фриц Цвикки и Вера Рубин, открывшие темную материю, изучая, как галактики удерживаются вместе, несмотря на непропорционально высокие скорости для наблюдаемой обычной материи. Гравитационные эффекты линзирования (искривления света) и влияние на движение звезд в космосе также могут служить косвенными доказательствами присутствия темной материи. Кроме того, продукты аннигиляции (такие как гамма-лучи, нейтрино и космические лучи), образующиеся при столкновении частиц темной материи друг с другом в космосе, также могут указывать на присутствие темной материи. Одним из таких мест, где существование темной материи было предсказано на основе продуктов аннигиляции частиц темной материи, является центр нашей родной галактики Млечный Путь.  

Обнаружение темной материи в центре нашей родной галактики Млечный Путь  

Были получены признаки избыточного диффузного микроволнового центрального свечения в центре Млечного Пути (MW). Было предложено, что избыточное свечение вызвано синхротронным излучением релятивистских электронов и позитронов, образующихся при аннигиляции частиц темной материи WIMP, поэтому был предсказан расширенный диффузный сигнал γ-излучения в диапазоне энергий до нескольких сотен ГэВ. Впоследствии телескоп Fermi-Large Area (LAT) обнаружил сигнал γ-излучения, который был идентифицирован как избыток галактического центра (GCE). Вскоре стало понятно, что избыток галактического центра (GCE) также может быть обусловлен старыми нейтронными звездами (миллисекундными пульсарами). Считалось, что морфология GCE будет важна — симметричный сферический GCE будет указывать на γ-излучение от аннигиляции частиц темной материи (DM), в то время как уплощенная морфология GCE будет указывать на γ-излучение миллисекундных пульсаров (MSP).  

Обширные наблюдения центра Галактики Млечный Путь с помощью телескопа Fermi-Large (LAT) выявили сплющенную асферичность. Обычно наблюдаемую асферичность можно было бы связать со старыми звёздами (MSP), однако недавнее исследование, опубликованное 16 октября 2025 года, пришло к выводу, что морфологии GCE, предсказываемые моделями аннигиляции старых звёзд (MSP) и тёмной материи (DM), неразличимы.   

Чтобы изучить распределение темной материи, исследователи провели моделирование морфологии галактик, подобных Млечному Пути (Milky Way). Они обнаружили, что гало темной материи вокруг галактик, а также вокруг центральных областей галактик редко были сферическими, как предполагается в анизотропной модели. Вместо этого анализ показал сплющенную проекцию плотности темной материи для всех галактик. Это неосесимметричное распределение темной материи (DM) было также показано историей слияния галактик Млечный Путь в первые три миллиарда лет истории Вселенной. Наблюдаемая морфология GCE сплющена над центральной областью, что обычно считается характерным для распределения старых звезд (MSP). Новое исследование продемонстрировало, что темная материя (DM) генерирует похожее коробчатое распределение. Таким образом, обе гипотезы, как аннигиляции темной материи (DM), так и миллисекундные пульсары (MSP), для наблюдаемого GCE одинаково возможны.   

Связан ли наблюдаемый GCE с темной материей (ТМ) или миллисекундными пульсарами (МСП), станет известно, когда такие обсерватории γ-излучения, как Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) и Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), завершат свои исследования тера-гамма-излучения. Гамма-излучение, образующееся в результате аннигиляции темной материи (ТМ) в центре Галактики, будет представлять собой фотоны сверхвысоких энергий с чрезвычайно высоким уровнем энергии, приблизительно равным 0.1 тераэлектрон-вольт (ТэВ). Стандартные гамма-телескопы не могут напрямую регистрировать эти высокоэнергетические фотоны. Тера-гамма-излучение станет важной целью для будущих обсерваторий γ-излучения, таких как CTAO и SWGO.  

Это исследование является шагом вперёд в обнаружении тёмной материи в космосе через продукты её аннигиляции, однако наличие тёмной материи в центре Галактики потребует в будущем подтверждения с помощью обсерваторий сверхвысоких энергий γ-излучения, таких как CTAO или SWGO. Гораздо более значительным прогрессом в науке о тёмной материи было бы прямое обнаружение любой частицы тёмной материи.  

Ссылки:  

1. Хохберг, Й., Кан, Й.Ф., Лиан, Р.К. и др. Новые подходы к обнаружению тёмной материи. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Мисяшека М. и Россиб Н. 2024. Прямое обнаружение тёмной материи: критический обзор. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Институт корпускулярной физики. В поисках тёмной материи: новый подход к обнаружению невидимого. 22 августа 2025 г. Доступно по адресу https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Муру М.М. и др. 2025. Избыточная морфология тёмной материи в галактическом центре Ферми-ЛАТ при моделировании Млечного Пути. Physical Review Letters. 135, 161005. Опубликовано 16 октября 2025 г. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd . Препринтная версия на arXiv. Подано 8 августа 2025 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Университет Джонса Хопкинса. Новости – Загадочное свечение в Млечном Пути может быть свидетельством существования тёмной материи. Опубликовано 16 октября 2025 г. Доступно на сайте https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Институт астрофизики имени Лейбница. Новости – В Млечном Пути наблюдается избыток гамма-излучения из-за аннигиляции тёмной материи. Опубликовано 17 октября 2025 г. Доступно на сайте https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Космический гамма-телескоп Ферми. Доступно на сайте https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Обсерватория с решеткой черенковских телескопов (CTAO). Доступно на сайте https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Южная широкоугольная гамма-обсерватория (SWGO). Доступно на сайте https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Тартуская обсерватория. Тёмная сторона Вселенной. Доступно на сайте https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe