Tamna tvar možda nije jedna nego dvije čestice

U radu objavljenom u časopisu Journal of Cosmology and Astroparticle Physics autori predlažu drukčiji okvir. Po njemu, tamna tvar možda nije sastavljena od jedne vrste čestica, nego od dviju blago različitih komponenti, a njihov odnos mogao bi se mijenjati od sustava do sustava. Upravo bi to moglo objasniti zašto se jedan od najzanimljivijih mogućih tragova vidi u Mliječnoj stazi, ali ne i ondje gdje su ga mnogi očekivali.

Zagonetka iz središta galaksije

Tamna tvar nije izravno opažena, ali njezino postojanje gotovo nitko ozbiljno ne dovodi u pitanje. Astronomi je prepoznaju po gravitacijskim učincima na vidljivu tvar, no pitanje što ona zapravo jest ostaje otvoreno. Zbog toga je svaka moguća naznaka njezine prirode dragocjena, osobito kada dolazi iz naše vlastite galaksije.

Jedna takva naznaka već godinama stiže iz središta Mliječne staze. Svemirski teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope zabilježio je višak fotona gama-zračenja iz približno sfernog područja koje okružuje galaktički disk. Jedno od mogućih objašnjenja glasi da taj signal nastaje pri anihilaciji čestica tamne tvari, u sudarima u kojima se njihova masa pretvara u visokoenergetsko zračenje.

Problem je u tome što to nije jedino moguće tumačenje. Sličan višak mogli bi stvarati i običniji astrofizički izvori, poput populacije pulsara. Upravo zato istraživači odgovor traže izvan središta naše galaksije. Ako je riječ o tamnoj tvari, sličan bi se trag, barem načelno, trebao pojaviti i u drugim sustavima bogatima tamnom tvari.

Tu na scenu stupaju patuljaste galaksije. Riječ je o malim i slabim galaksijama koje sadrže mnogo tamne tvari, ali imaju malo zvijezda i vrlo skromnu astrofizičku pozadinu. Zbog toga su jedno od najboljih mjesta za potragu za čišćim signalom, bez previše smetnji.

U standardnim modelima čestični opis tamne tvari obično vodi prema dvjema mogućnostima. U jednostavnijem slučaju vjerojatnost anihilacije ostaje stalna i ne ovisi o brzini čestica. Ako taj scenarij vrijedi, signal iz središta Mliječne staze trebao bi se vidjeti i u patuljastim galaksijama. U drugom slučaju vjerojatnost anihilacije ovisi o brzini čestica. Budući da se čestice tamne tvari u galaksijama kreću vrlo sporo, takve interakcije tada postaju iznimno rijetke, pa signal praktički nestaje posvuda.

Upravo je zato izostanak gama-signala u patuljastim galaksijama dugo izgledao kao ozbiljan problem za tumačenje viška zračenja u središtu Mliječne staze kao mogućeg učinka tamne tvari.

Kad se traže dva sastojka

Novi rad nudi drukčije rješenje. Gordan Krnjaic iz američkog Fermilaba i njegovi suradnici razmatraju mogućnost da tamna tvar nije jedna čestica, nego sustav sastavljen od dviju različitih čestica koje se moraju međusobno susresti kako bi došlo do anihilacije.

To mijenja cijelu sliku. U takvom modelu više nije važno samo koliko se često čestice mogu anihilirati, nego i koliki je omjer tih dviju komponenti u pojedinom sustavu. U galaksiji poput naše one bi mogle biti prisutne u približno sličnim količinama, pa bi susreti bili dovoljno česti da proizvedu mjerljiv signal gama-zračenja. U patuljastim galaksijama taj bi omjer, međutim, mogao biti snažno neuravnotežen, pa bi signal bio znatno slabiji ili bi potpuno izostao.

Drugim riječima, odsutnost signala ondje gdje smo ga očekivali više ne mora automatski značiti da tamna tvar nije uzrok onoga što vidimo u središtu Mliječne staze. Ona može značiti i da tamna tvar nije jednostavna, nego složenija nego što su pretpostavljali najosnovniji modeli.

Time se otvara fleksibilniji način tumačenja podataka. Signal iz središta naše galaksije i dalje ostaje pod sumnjom, ali više ne otpada samo zato što ga patuljaste galaksije zasad ne potvrđuju. To je važan pomak jer potragu za tamnom tvari vraća na širi teren, umjesto da je veže uz prestrogu logiku istog potpisa u svakom okruženju.

Sljedeći korak ovisit će o boljim opažanjima. Podaci o patuljastim galaksijama još su ograničeni, a preciznija mjerenja teleskopa Fermi mogla bi pokazati emitiraju li ti sustavi gama-zračenje ili ne. Ako se signal ipak pojavi, to bi bilo u skladu s mogućnošću da su obje komponente tamne tvari prisutne i ondje u sličnijem omjeru. Ako ga i dalje ne bude, to bi moglo upućivati na to da je jedna od njih u takvim galaksijama mnogo rjeđa.

Ni tada, međutim, priča ne bi bila zaključena. Autori upozoravaju da takvo tumačenje nije jedino moguće jer na opažanja utječu i drugi astrofizički čimbenici. Upravo zato ovaj model neće se provjeravati jednim jedinim rezultatom, nego usporedbom sa širom skupinom budućih opažanja. U tome je i njegova stvarna važnost: ne nudi konačan odgovor na pitanje što je tamna tvar, ali jasno pokazuje da njezina šutnja možda nije znak da smo na pogrešnom tragu, nego da je moramo tražiti na pametniji način.