Исследуя спектры гамма-излучения, приходящего из областей, близких к центру Галактики, астрофизики из Германии и Китая обнаружили следы возможной аннигиляции частиц тёмной материи (ТМ).

Косвенные свидетельства того, что барионное вещество во Вселенной дополняется небарионной холодной тёмной материей, приносят самые разные космологические наблюдения, охватывающие расстояния от десятков килопарсеков до единиц гигапарсеков.

Подходящими кандидатами на роль частиц ТМ считаются слабовзаимодействующие вимпы, типичным представителем которых можно назвать легчайшее суперсимметричное нейтралино. Сейчас, когда физикам стало ясно, что Большой адронный коллайдер не видит никаких (кроме, быть может, бозона Хиггса) новых частиц с массой менее одного тераэлектронвольта, модель вимповой ТМ начали активно критиковать, но построить более убедительную теоретическую конструкцию не удаётся.

Поиски частиц ТМ прямыми методами — на ускорителях и в опытах по рассеянию вимпов на ядрах — надёжных положительных результатов пока не дали, и экспериментаторы вынуждены обращаться к непрямым методикам. Наиболее перспективной из последних называют регистрацию почти свободно проходящего сквозь Галактику гамма-излучения — вестника аннигиляции вимпов. С обнаружением гамма-квантов успешно справляются и наземные (скажем, черенковские) телескопы, отслеживающие создаваемые этими квантами в атмосфере ливни вторичных частиц, и космические.

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки: при наблюдениях из космоса можно рассчитывать на большое поле обзора и детектирование фотонов со сравнительно низкой энергией, а черенковские установки идеально подходят для точечных исследований.

Поскольку плотность ТМ прямо связана с частотой аннигиляции вимпов, наибольшее число сигнализирующих о ней гамма-квантов должно приходить из центра Млечного Пути, от карликовых сфероидальных галактик или скоплений галактик. На эти объекты — предполагаемые области концентрации частиц ТМ — физики обращают внимание чаще всего.

Впрочем, одна лишь пространственная модуляция потока гамма-квантов не говорит о том, что в центре Галактики или близлежащей карликовой галактике находится именно ТМ. Чтобы выделить действительно полезный сигнал, учёные анализируют не только пространственные, но и спектральные особенности потока и пытаются отыскать какие-нибудь линии или узкие пики, с высокой степенью вероятности относящиеся к аннигиляции вимпов.

Теоретическая возможность появления таких пиков существует, хотя шансы на образование широких «горбов» в спектре, которые создаются вторичными фотонами, рождёнными при адронизации и распаде первичных продуктов аннигиляции частиц ТМ (пар кварков, лептонов, бозонов Хиггса, W- и Z-бозонов), — выше. «Горбы», очевидно, менее информативны и менее заметны на астрофизическом фоне, составить полное описание которого чрезвычайно трудно.

Ненадёжность аннигиляционных сигналов от вторичных фотонов объясняет, почему специалисты относятся к ним с недоверием. Сообщения о подобных гамма-сигналах, исходящих из центра Галактики и интерпретируемых как следы частиц ТМ с массой в ~10 ГэВ, ~100 ГэВ, ~ТэВ или даже несколько тераэлектронвольт, в последние годы появляются с завидной частотой, но с доказательством того, что интерпретация верна, неизменно возникают проблемы.

Рис. 1. Один из вариантов определения области Млечного Пути, в которой «Ферми» проводит измерения потока гамма-квантов, намереваясь отыскать следы тёмной материи (иллюстрация из Journal of Cosmology and Astroparticle Physics).

Рис. 2. Обнаруженный телескопом пик на ~130 ГэВ (иллюстрация из Journal of Cosmology and Astroparticle Physics).

Новый сигнал, для обнаружения которого понадобился огромный массив информации, составленный космическим гамма-телескопом «Ферми» за 43 месяца работы, по своей форме отличается от упомянутых выше и выглядит как узкий пик в районе 130 ГэВ с локальной статистической значимостью, превышающей 4,6σ. Таким образом,

он легко представляется как результат аннигиляции частиц ТМ, имеющих естественную с теоретической точки зрения массу в ~100 ГэВ, а вероятность его случайного возникновения предельно мала.

Пока никаких данных, противоречащих изначальной интерпретации пика в спектрах «Ферми», представлено не было, и 130-гигаэлектронвольтовый сигнал считается надёжнейшим из известных. В будущем ситуация вполне может измениться; уже сейчас выясняются кое-какие любопытные детали, которые грозят разрушить картину, нарисованную теоретиками.

Во-первых, центр происхождения сигнала, кажется, смещён на ~1,5 градуса (200 пк) от центра Галактики. Хотя возможность того, что участок максимальной плотности ТМ не будет совпадать с центром спиральных галактик с перемычкой, напоминающих Млечный Путь, при моделировании рассматривалась и раньше, значительное смещение, обнаруженное в реальном эксперименте, удивило многих.

Во-вторых, результаты простейшей проверки указывают на то, что пик в области 130 ГэВ может оказаться инструментальным артефактом, характерным для космического телескопа и его детекторов. Как выяснилось, некое подобие линии на 130 ГэВ выделяется в спектрах, построенных для обнаруженных «Ферми» фотонов из атмосферы Земли (то есть из ливней частиц, создаваемых космическими лучами) с углами падения θ от 30˚ до 45˚. Этот сигнал, в отличие от обсуждаемого нами «реального», имеет слабую значимость и пропадает, если рассматривать все углы падения атмосферных квантов или все — и астрофизические, и атмосферные — фотоны в диапазоне 30˚ ≤ θ ≤ 45˚, но само его появление настораживает.

130-гигаэлектронвольтовый пик, несомненно, будет обсуждаться ещё очень долго, и обойтись наблюдениями одного «Ферми» здесь не получится. Подтвердить или опровергнуть его данные должны новые космические телескопы с бóльшим энергетическим разрешением (DAMPE, «ГАММА-400») или только что введённый в строй черенковский телескоп H.E.S.S. II.