Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич
Большинство миллисекундных пульсаров находится в шаровых звездных скоплениях – далеких звездных структурах Млечного Пути. Хупер говорит, что, судя по тому, как они светят, таких пульсаров в галактическом центре просто не может быть в таком количестве, чтобы объяснить регистрируемый избыток излучения. Однако другие астрофизики считают это возможным. Дискуссия, похоже, зашла в тупик, по крайней мере, так было до 2015 года, когда две группы ученых – одна во главе с Кристофом Венигером, астрофизиком из Амстердамского университета, а другая под руководством Слейтер – опубликовали статьи в поддержку гипотезы пульсаров. Эти две группы использовали несколько отличающиеся друг от друга методики для интерпретации данных с телескопа Fermi, учитывающие его технические ограничения. Поскольку Fermi не направлен на источник, как это происходит в традиционном эксперименте, а просматривает очень широкую область неба, он улавливает излучение, приходящее с разных направлений. Особенно яркие точечные источники (включая пульсары) появляются в этом излучении в виде горячих точек, но более слабые пульсары вполне могут затеряться на фоне шумов14.
Обе команды астрономов разбили участок неба вокруг галактического центра на множество пикселей. Затем они измерили изменения в уровне излучения от пикселя к пикселю, считая количество отдельных фотонов, регистрируемых телескопом Fermi. Они отметили, что наблюдались вполне заметные различия в количестве фотонов между этими пикселями даже после вычитания вариаций ожидаемого излучения от известных источников, иными словами, имелись “горячие” и “холодные” области неба. По их словам, горячие области, или яркие пиксели, можно объяснить наличием одного яркого пульсара или скопления миллисекундных пульсаров. Тусклые – более холодные – пиксели соответствовали отсутствию пульсаров. Хотя некоторые горячие и холодные точки можно считать появившимися случайно, уровень изменения яркости был достаточно высоким для того, чтобы его можно было объяснить присутствием скопления пульсаров, но настолько слабых, что их трудно обнаружить по отдельности. “Если вы замечаете на снимке какие-то разводы, то они связаны с пульсарами, хотя вы и не можете уверенно сказать, что видите отдельные пульсары”, – говорит Линден.
Авторы статьи утверждали, что, если бы именно столкновения вимпов – частиц темной материи, все еще существовавших лишь в теории, – были источником всего избыточного излучения, все участки неба должны были бы светиться в гамма-диапазоне примерно одинаково. Казалось бы, пульсары выиграли спор. Даже Хуперу пришлось признать, что аргумент в пользу пульсаров оказался довольно сильным. Он вспоминает, что эти две статьи оказали большое влияние на ученых и убедили многих в том, что именно быстро вращающиеся нейтронные звезды, вероятно, были источником излучения. “Раньше на arXiv.org каждые несколько дней выходила новая статья о свойствах темной материи, – говорит Хупер, – но внезапно количество таких работ снизилось в три или четыре раза. Вот так и упал до нуля интерес к этому предмету”.
Но Хупер по-прежнему был настроен скептически по отношению к пульсарной теории и очень откровенно высказывался о недостатках обеих статей. “Я считал, что такое чередование пятен можно объяснить множеством причин, в конце концов, большая часть гамма-излучения, обнаруженная этим телескопом, связана не с избытком излучения, о котором мы говорим, а с более обычными астрофизическими процессами. И вероятно, они тоже приводят к образованию пятен, просто мы про них не знаем”. Ему казалось совершенно правдоподобным предположение о том, что данные наблюдений могут также скрывать и большой монотонно меняющийся избыток излучения, связанный с аннигиляцией темной материи. Он спорил, приводил доводы, но не смог убедить других.
К счастью для Хупера, Слейтер не считала проблему окончательно решенной и продолжила ею заниматься, несмотря на опубликованную ею убедительную статью 2015 года. В начале 2019 года вместе с коллегой-физиком из Массачусетского технологического института Ребеккой Лин она решила пересмотреть свои собственные расчеты, а заодно и прежние расчеты Венигера. На этот раз они с Лин создали цифровую модель Млечного Пути со звездами, газом, пылью и всеми известными пульсарами. Затем они ввели в нее гипотетическую темную материю и некоторые тусклые пульсары, не включенные в первоначальную цифровую модель. Они проанализировали этот искусственный Млечный Путь и обнаружили, что дополнительно введенные пульсары сделали его похожим на галактику, в которой содержится очень мало темной материи, светящейся в гамма-диапазоне, хотя они знали, что она должна быть там, поскольку сами ее туда ввели.
Затем они добавили смоделированную темную материю к фактическим данным, полученным Fermi, чтобы увидеть, что произойдет, если ее ввести в нашу реальную Галактику. И снова обнаружили гораздо меньше темной материи, чем должен был дать сигнал, который они добавили искусственно, но зато гораздо больше точечных источников пульсарного типа. Это означало, что вместо плавно изменяющейся картины, которую они ожидали увидеть, они получили зернистую. Ученые не смогли обнаружить и следа добавленного ими сигнала от темной материи до тех пор, пока не ввели более чем в пять раз больший сигнал, чем тот, который объяснял бы наблюдаемый излишек излучения. Таким образом, сказали они, в статье прежде всего демонстрируется, что предыдущий анализ не позволял обнаружить темную материю, сигнал от нее каким-то образом оставался скрытым15. “Вы вводите его вручную, чтобы картина профиля получилась гладкой, а она получается пятнистой. Это просто означает, что метод анализа, который вы используете, ошибочно определяет гладкое излучение как пятнистое, – говорит Хупер. – Это не значит, что оно должно быть гладким. Но и не значит, конечно же, что оно образует пятна”. Анализ 2015 года оказался менее надежным, чем предполагалось, и у темной материи все еще оставался шанс.
Хотя в статье не было представлено новых доказательств существования темной материи, она ослабила доказательность объяснения избыточного гамма-излучения Галактики свечением пульсаров. По словам Хупера, по-прежнему неясно, распределено ли избыточное излучение гладко или образует пятна, по крайней мере, на основе имеющегося на сегодня анализа полученных данных. Один из будущих проверочных экспериментов может быть основан на данных, которые телескоп Fermi соберет, изучая крошечные галактики – карликовые сфероидальные галактики, обращающиеся вокруг Млечного Пути. Если частицы темной материи ответственны за избыток излучения, то вимпы в них должны давать очень похожий сигнал, только чуть ослабленный. Когда телескоп Fermi соберет больше данных и мы откроем гораздо больше таких карликовых галактик, возможно, удастся проверить эту идею.
На настоящий момент, однако, статья Слейтер возродила интерес к загадке темной материи. Сама она думает, что пульсары – более вероятное объяснение, и Хупер признает, что в том лагере находится много ученых. “Из десяти случаев, когда обнаруживается какой-то сигнал, который, возможно, связан с новым экзотическим
