Ciemna materia w centrum naszej macierzystej galaktyki 

Teleskop Fermiego dokonał dokładnej obserwacji nadmiernej emisji promieniowania gamma w centrum naszej galaktyki macierzystej, która wydawała się niesferyczna i spłaszczona. Określany jako Nadmiar Centrum Galaktyki (GCE), ten nadmiar promieniowania gamma jest możliwą sygnaturą ciemnej materii powstającej w wyniku samoanihilacji słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP), kandydatów na cząstki ciemnej materii. Jednakże nadmiar promieniowania gamma obserwowany w centrum Galaktyki może również pochodzić od starych pulsarów milisekundowych (MSP). Dotychczas uważano, że morfologia GCE wynikająca z ciemnej materii (DM) będzie sferyczna. Najnowsze badania symulacyjne ujawniają, że morfologia promieniowania gamma wynikająca z DM może być znacząco niesferyczna i spłaszczona. Oznacza to, że zarówno hipotezy dotyczące anihilacji ciemnej materii (DM), jak i pulsarów milisekundowych (MSP) dla obserwowanego GCE są równie prawdopodobne. Promienie gamma powstające w wyniku anihilacji ciemnej materii (DM) miałyby niezwykle wysoki poziom energii, wynoszący około 0.1 teraelektronowolta (TeV). Standardowe teleskopy promieniowania gamma nie są w stanie bezpośrednio wykryć tych wysokoenergetycznych fotonów. W związku z tym potwierdzenie modelu ciemnej materii (DM) w przypadku nadmiaru środka galaktyki (GCE) byłoby możliwe po zakończeniu badań prowadzonych przez obserwatoria promieniowania teragamma, takie jak obserwatorium Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) i Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO).

Historia ciemnej materii rozpoczęła się w 1933 roku, kiedy Fritz Zwicky zaobserwował, że szybko poruszające się galaktyki w Gromadzie Coma nie mogą utrzymać się razem i pozostać stabilne bez obecności dodatkowej materii, która jest w jakiś sposób niewidoczna, ale wywiera odpowiedni efekt grawitacyjny, aby zapobiec rozpadowi galaktyk. Ukuł termin „ciemna materia” w odniesieniu do takiej niewidzialnej materii. W latach 1960. XX wieku Vera Rubin wniosła przełomowy wkład w nasze zrozumienie ciemnej materii. Zauważyła, że ​​gwiazdy na zewnętrznych krawędziach Andromedy i innych galaktyk obracają się z prędkością równą prędkościom gwiazd w kierunku centrum. Przy danej sumie całej obserwowanej materii, galaktyka powinna się rozpaść, co wymagałoby obecności dodatkowej, niewidzialnej materii, która utrzymuje galaktyki razem i powoduje ich rotację z dużą prędkością. Jej pomiary krzywych rotacji galaktyki Andromedy dostarczyły najwcześniejszych dowodów na istnienie ciemnej materii.  

Teraz wiemy, że ciemna materia nie oddziałuje ze światłem ani oddziaływaniem elektromagnetycznym. Nie pochłania, nie odbija ani nie emituje światła ani żadnego innego promieniowania elektromagnetycznego i jest niewidoczna, stąd nazywana ciemną. Jednak skupia się grawitacyjnie i oddziałuje grawitacyjnie na zwykłą materię, i w ten sposób zazwyczaj wnioskuje się o jej obecności w kosmosie. Galaktyki są utrzymywane w równowadze dzięki grawitacyjnemu oddziaływaniu ciemnej materii, która stanowi aż 26.8% masy i energii Wszechświata, podczas gdy cały obserwowalny Wszechświat, wliczając w to całą barionową materię, z której wszyscy się składamy, stanowi zaledwie 4.9% Wszechświata. Pozostałe 68.3% masy i energii Wszechświata to ciemna energia.  

Nie wiadomo, czym tak naprawdę jest ciemna materia. W jej wnętrzu nie ma cząstek elementarnych. Model Standardowy posiadają właściwości niezbędne do bycia ciemną materią. Być może hipotetyczne „cząstki supersymetryczne”, będące partnerami cząstek Modelu Standardowego, tworzą ciemną materię. Być może istnieje równoległy świat ciemnej materii. WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki), aksjony lub sterylne neutrina to hipotetyczne cząstki wykraczające poza Model Standardowy, będące wiodącymi kandydatami. Jednak jak dotąd nie udało się osiągnąć sukcesu w wykryciu takich cząstek.  

Istnieje kilka projektów (takich jak Eksperyment XENON, Projekt DarkSide-20k, Eksperyment EURECA, oraz RES-NOWA) obecnie trwają prace nad bezpośrednią detekcją cząstek ciemnej materii. Są to głównie detektory ciekłych gazów szlachetnych lub detektory kriogeniczne, zaprojektowane do wykrywania słabych sygnałów pochodzących z oddziaływań cząstek ciemnej materii. Jednak pomimo wielu nowatorskich podejść, żadnemu projektowi nie udało się jak dotąd bezpośrednio wykryć żadnej cząstki ciemnej materii. 

Pośrednim dowodem na istnienie ciemnej materii może być poszukiwanie jej oddziaływania grawitacyjnego, tak jak to zrobili Fritz Zwicky i Vera Rubin, którzy odkryli ciemną materię, badając, w jaki sposób galaktyki są utrzymywane razem, pomimo nieproporcjonalnie wysokich prędkości w stosunku do obserwowanej zwykłej materii. Grawitacyjne efekty soczewkowania (zakrzywiania światła) i wpływ na ruch gwiazd w kosmosie mogą również dostarczyć pośrednich dowodów na obecność ciemnej materii. Ponadto produkty anihilacji (takie jak promienie gamma, neutrina i promienie kosmiczne) powstające w wyniku zderzeń cząstek ciemnej materii w kosmosie również mogą wskazywać na obecność ciemnej materii. Jednym z takich miejsc, w którym ciemna materia została przewidziana na podstawie produktów anihilacji cząstek ciemnej materii, jest centrum naszej macierzystej galaktyki, Drogi Mlecznej.  

Wykrycie ciemnej materii w centrum naszej galaktyki, Drogi Mlecznej  

Pojawiły się przesłanki wskazujące na nadmierne rozproszone mikrofalowe świecenie centralne w centrum Drogi Mlecznej (MW). Zaproponowano, że nadmierne świecenie jest spowodowane emisją synchrotronową relatywistycznych elektronów i pozytonów generowanych w procesie anihilacji ciemnej materii w akceleratorze WIMP, stąd przewidywano rozciągnięty sygnał promieniowania γ w zakresie energii do kilkuset GeV. Następnie Teleskop Fermiego (LAT) wykrył sygnał promieniowania γ, który zidentyfikowano jako Nadmiar Centrum Galaktyki (GCE). Wkrótce zdano sobie sprawę, że Nadmiar Centrum Galaktyki (GCE) może być również spowodowany przez stare gwiazdy neutronowe (pulsary milisekundowe). Uważano, że istotna będzie morfologia GCE – symetryczny i kulisty kształt GCE wskazywałby na emisję promieniowania γ pochodzącą z anihilacji cząstek ciemnej materii (DM), podczas gdy spłaszczona morfologia GCE sugerowałaby emisję promieniowania γ pochodzącą z pulsarów milisekundowych (MSP).  

Intensywne obserwacje centrum Drogi Mlecznej za pomocą Teleskopu Fermiego (LAT) ujawniły spłaszczoną asferyczność. Zazwyczaj obserwowaną asferyczność można by wiązać ze starymi gwiazdami (MSP), jednak najnowsze badanie opublikowane 16 października 2025 roku wykazało, że morfologie GCE przewidywane zarówno przez modele anihilacji starych gwiazd (MSP), jak i ciemnej materii (DM) są nieodróżnialne.   

Aby zbadać rozkład ciemnej materii, naukowcy przeprowadzili symulację morfologii galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej (MW). Odkryli, że halo ciemnej materii wokół galaktyk, jak również wokół centralnych obszarów galaktyk, rzadko były sferyczne, jak zakładano w modelu anizotropowym. Zamiast tego analiza wykazała spłaszczoną projekcję gęstości ciemnej materii dla wszystkich galaktyk. Ten nieosiowo-symetryczny rozkład ciemnej materii (DM) został również pokazany przez historię scalania się galaktyk Drogi Mlecznej w ciągu pierwszych trzech miliardów lat w historii Wszechświata. Obserwowana morfologia GCE jest spłaszczona w obszarze centralnym, co jest powszechnie uważane za charakterystyczne dla rozkładu starych gwiazd (MSP). Nowe badanie wykazało, że ciemna materia (DM) generuje podobny pudełkowaty rozkład. Zatem zarówno hipotezy dotyczące anihilacji ciemnej materii (DM), jak i pulsarów milisekundowych (MSP) dla obserwowanego GCE są równie możliwe.   

To, czy obserwowany efekt GCE jest spowodowany ciemną materią (DM), czy pulsarami milisekundowymi (MSP), będzie wiadomo, gdy obserwatoria promieniowania gamma, takie jak Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) i Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO), zakończą w przyszłości badania promieniowania tera-gamma. Promienie gamma powstające w wyniku anihilacji ciemnej materii (DM) w centrum Galaktyki będą fotonami o ultrawysokiej energii i ekstremalnie wysokim poziomie energii, wynoszącym około 0.1 teraelektronowolta (TeV). Standardowe teleskopy promieniowania gamma nie są w stanie bezpośrednio wykryć tych fotonów o wysokiej energii. Promienie tera-gamma będą ważnym celem dla przyszłych obserwatoriów promieniowania gamma, takich jak CTAO i SWGO.  

Niniejsze badanie stanowi krok naprzód w wykrywaniu ciemnej materii w kosmosie poprzez produkty jej anihilacji. Jednak obecność ciemnej materii w centrum Galaktyki wymagałaby w przyszłości potwierdzenia przez obserwatoria promieniowania gamma ultrawysokiej energii, takie jak CTAO lub SWGO. Znacznie bardziej znaczącym postępem w nauce o ciemnej materii byłoby bezpośrednie wykrycie jakiejkolwiek cząstki DM.  

*** 

Referencje:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK i in. Nowe podejścia do detekcji ciemnej materii. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. i Rossib N. 2024. Bezpośrednia detekcja ciemnej materii: przegląd krytyczny. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Instituto de Física Corpuscular. W poszukiwaniu ciemnej materii: nowe podejście do wykrywania tego, co niewidzialne. 22 sierpnia 2025 r. Dostępne na https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM i in. 2025. Nadmiarowa morfologia ciemnej materii w centrum galaktycznym Fermi-LAT w symulacjach Drogi Mlecznej. Physical Review Letters. 135, 161005. Opublikowano 16 października 2025 r. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Wersja preprintowa w arXiv. Przesłano 8 sierpnia 2025 r. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Uniwersytet Johnsa Hopkinsa. Wiadomości – Tajemnicza poświata w Drodze Mlecznej może być dowodem na istnienie ciemnej materii. Opublikowano 16 października 2025 r. Dostępne na https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Instytut Astrofizyki Leibniza. Wiadomości – Droga Mleczna wykazuje nadmiar promieniowania gamma spowodowany anihilacją ciemnej materii. Opublikowano 17 października 2025 r. Dostępne na https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermiego. Dostępny na https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Obserwatorium Cherenkov Telescope Array (CTAO). Dostępne na https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Południowe Obserwatorium Promieniowania Gamma o Szerokim Polu (SWGO). Dostępne na https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Obserwatorium Tartu. Ciemna strona Wszechświata. Dostępne na https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***