На небе множество звезд, и все же мы можем увидеть лишь ничтожную их часть. Но что еще интереснее, 80% всей материи во Вселенной мы в принципе не можем увидеть, ведь это темная материя, не участвующая в электромагнитном взаимодействии. Но ее действие ярко выражается в гравитационном воздействии, меняющем как орбиты одиноких небольших звезд, так и движение целых скоплений галактик. В конце концов, темная материя воздействует и на нас. И тем не менее, несмотря на десятилетия исследований, никто не может сказать, что же такое темная материя. Многие ученые считают, что ответ на этот вопрос будет найден с открытием нового типа субатомных частиц, принципиально отличных от тех, которые являются составными элементами атомов обычной материи. Эксперименты по поиску таких частиц идут как на Земле, так и в космосе.

Ученые, занятые в анализе данных, собираемых американским космическим телескопом гамма-диапазона Ферми, сконцентрировались на возможных сигналах, характерных для некоторых частиц, гипотетически составляющих темную материю. Для этого они изучили излучение 10 небольших, тусклых карликовых галактик, обращающихся вокруг Млечного пути. Не было получено никаких ожидаемых сигналов, и новый метод анализа собранных широкоугольным телескопом орбитальной обсерватории данных позволил полностью исключить часть частиц-кандидатов на роль носителей темной материи. Хотя это и не очень конструктивный метод поиска, но раз нельзя сказать из чего состоит темная материя, то неплохо хотя бы определить, из чего она точно не состоит. Это первый надежный результат в данном направлении.

«Фактически, анализ данных обсерватории уменьшает объем теоретической коробки, в которой эти частицы могут прятаться от нас», – говорит автор исследования Дженнифер Сигал-Гаскинс, сотрудница Калифорнийского технологического института и член группы ученых, занятых в проекте телескопа  Ферми.

Наиболее популярным кандидатом на роль частиц темной материи являются Слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMPs, Weakly Interacting Massive Particles). Эти частицы вписываются в теорию холодной темной материи и участвуют не только в гравитационном, но и в слабом взаимодействии. Это целый класс гипотетических частиц и существует множество кандидатов на роль этого кандидата в частицы темной материи. Некоторые вимпы (еще не устоявшаяся, но часто применяемая калька с английского сокращения) при встрече должны аннигилировать – взаимно уничтожаться – с испусканием гамма-лучей, самых высокоэнергетических в спектре. Для их наблюдения и создана обсерватория Ферми.

«Одно из лучших мест для поиска этих гамма-лучей, сигналов от частиц темной материи, это карликовые сферические галактики, являющиеся спутниками Млечного пути. Известно, что они содержат большое количество темной материи, – говорит Сигал-Гаскинс. – Вообще, с астрофизической точки зрения, это жутко скучные объекты. В них почти нет газа, необходимого для образования звезд и объектов вроде пульсаров или остатков сверхновых, испускающих гамма-излучение». Но это значит, что если гамма-лучи из них идут, то у них есть другой источник.

Еще одним преимуществом карликовых галактик-спутников является то, что многие из них лежат вне галактической плоскости Млечного пути. В результате широкий спектр излучения в гамма-диапазоне доступен для изучения без интерференции с материалом нашей галактики.

Астрономы использовали двухгодичные данные широкоугольного телескопа обсерватории Ферми, собранные в диапазоне энергий от 200 миллионов до 100 миллиардов электронвольт и имеющие источниками 10 из примерно двух дюжин известных карликовых галактик около нас. Вместо изучения данных, собранных для каждой галактики, была разработана статистическая методика, позволяющая учесть сразу весь набор данных, не потеряв при этом индивидуальности каждого объекта. В результате не было обнаружено признаков гамма-излучения, характерного для аннигиляции четырех различных типов вимпов. Впервые было показано, что кандидаты на роль этих частиц в определенном диапазоне масс и специфических свойств взаимодействия не существуют.

«То, что мы взяли 10 карликовых галактик не только увеличивается выборку статистики, но также делает анализ менее чувствительным к флуктуациям фона гамма-излучения [за галактикой может быть другой источник, который можно принять за взаимодействующую темную материю, если же рассмотреть 10 разных галактик, можно учесть фон – КЖ] и особенностям распределения темной материи в галактиках», – говорит Мая Гарде, студентка Стокгольмского университета и соавтор исследования.

Для каждого конкретного набора свойств частиц темной материи, их распределение имеет большое влияние на ожидаемое гамма-излучение. Движение звезд галактики, в том числе и карликовой, указывает на распределение темной материи, в которой они находятся. Но в карликовых галактиках звезд очень мало, что сильно усложняет работу. В результате возникает неопределенность в распределении темной материи в галактике и на пути к ней. Это, в свою очередь, влияет на ожидаемое распределение сигнала. Используя статистический подход, команде Сигал-Гаскинс удалось справиться и с этой проблемой, получив самые точные результаты в таком исследовании. В настоящее время двухлетний анализ данных продолжается, в него включаются новые снимки телескопа, под которые уже выделено наблюдательное время. За счет увеличения чувствительности обсерватории и ее спектрального диапазона (более высокоэнергетические гамма-лучи) можно улучшить точность результатов. Также открываются все новые карликовые галактики около Млечного пути. Их включение в анализ может способствовать уточнению результатов.