Galaktický model kozmického žiarenia funguje bez fyziky, a to je zlé

Keď bol svet mladý a stále som sa zúčastňoval na fyzikálnych konferenciách, veľmi ma vzrušovalo galaktické kozmické žiarenie. Zdalo sa, že existuje viac kozmického žiarenia ako očakávané prichádzajúce zo stredu našej galaxie. To prebytočné kozmické žiarenie môže byť dôkaz temnej hmoty, čo by v prípade potvrdenia znamenalo veľký prelom. Neskoršie modelovanie zdrojov kozmického žiarenia ukázalo, že išlo o extra kozmické žiarenie pravdepodobne nie pochádzajúce z ničenia temnej hmoty. Teraz sa však zdá, že sme späť na začiatku, pretože to model nemusí boli presné.

ako sa sem dostali?

Teraz je celkom isté, že pozorované kozmické lúče prichádzajúce zo stredu galaxie sú početnejšie, než je možné vysvetliť známymi zdrojmi kozmického žiarenia. To neznamená príliš veľa, pretože kozmické žiarenie sa rozptyľuje, takže v galaktickom strede nevidíme jasné bodky zdrojov kozmického žiarenia. Namiesto toho, ako pri pohľade na Slnko v hmlistom dni, je tu rozptýlená žiara kozmického žiarenia s niektorými jasnejšími oblasťami. Aby vedci určili, ako je táto difúzna žiara skonštruovaná, pozerajú sa na známe zdroje kozmického žiarenia, napr supernovy a pomocou týchto pozorovaní odhadnúť celkové množstvo a energiu kozmického žiarenia, ktoré sa očakáva od galaktický stred.

To, čo vidíme, sa však tomuto modelu nezhoduje. Problémov bolo niekoľko. Po prvé, existuje kozmické žiarenie s energiou ďaleko presahujúcou to, čo môžu produkovať supernovy. Na rozdiel od iných kozmických lúčov s veľmi vysokou energiou, tieto takmer určite pochádzajú z našej galaxie.

Ďalším problémom bolo, že sa zdalo, že je príliš veľa kozmického žiarenia, pre ktoré by mohlo existovať množstvo vysvetlení. Ale tie dva, ktoré sa zdali najpravdepodobnejšie, boli viac bodovými zdrojmi (supernovy), ako sme mohli vidieť, známe tiež ako nevyriešené bodové zdroje. Druhé vysvetlenie bolo veľmi vzrušujúce – prvý negravitačný dôkaz tmavej hmoty – častice tmavej hmoty, ktoré anihilujú a produkujú kozmické lúče.

Zdroj kozmického žiarenia s vyššou energiou bol nakoniec vyriešený. Supernovy produkujú kozmické žiarenie s nižšou energiou následne zrýchlené vecami tzv Fermiho bubliny. Medzi týmito tromi zdrojmi – extra supernovami, temnou hmotou a Fermiho bublinami – môžeme vysvetliť kozmické žiarenie zo stredu našej galaxie. Do akej miery však prispievajú jednotlivé zdroje? Môžeme ešte veci vysvetliť, ak anihilácie temnej hmoty nastavíme na nulu?

Štatistický nôž prerezáva hmlu

Na odhad rovnováhy vedci používajú štatistický postup prispôsobenia, ktorý umiestňuje bodové zdroje náhodne do galaktického centra. Okrem toho koncentrácia tmavej hmoty v strede (pomerne rovnomerne rozložený plyn častíc) prispieva kozmickým žiarením. A nakoniec, Fermiho bubliny generujú vysokoenergetické kozmické lúče z určitého zlomku kozmických lúčov s nižšou energiou. Tieto príspevky kolíšu dovtedy, kým sa vypočítaný tok kozmického žiarenia a jeho energetické spektrum nezhodujú s pozorovanými údajmi.

Tento postup je jadrom diskusie: ako by sa malo toto nasadenie vykonať?

Vedci skonštruovali metódu na jej prispôsobenie a otestovali ju na modelových údajoch – teda údajoch, ktoré vytvárajú distribúciu kozmického žiarenia prostredníctvom známych fyzikálnych procesov – a ukázali, že funguje celkom dobre. A keďže vedci sú si relatívne istí svojou fyzikou supernov a modelmi rozptylu kozmického žiarenia, boli si dostatočne istí, že štatistické prispôsobenie tiež nebolo také zlé.

Výsledkom bolo, že výskumníci si mysleli, že dokážu vysvetliť všetko okrem dvoch percent kozmického žiarenia zo stredu galaxie bez toho, aby zahŕňali akúkoľvek anihiláciu temnej hmoty. Zdalo sa, že to bola smrť prvého priameho dôkazu temnej hmoty.

Vaša supernova krásne sedí madam

Až na to, že sa napokon ukázalo, že postup montáže nie je taký robustný. Dvojica vedcov vykonala postup prispôsobenia na modelových údajoch, ale upravila dostupnosť typy zdrojov, ktoré by sa dali prispôsobiť (nazývané šablóny) a pohrať sa s množstvom kozmického žiarenia z tmy záležitosť. Zistili, že model takmer vždy znížil príspevok temnej hmoty na nulu. Čistým výsledkom bolo, že aj keď až 15 percent toku kozmického žiarenia bolo spôsobených temnou hmotou, model by stále vykazoval príspevok temnej hmoty, ktorý bol takmer nulový.

Výskumníci tiež testovali prispôsobenie na skutočných údajoch. Zobrali pozorovacie údaje a upravili ich pridaním príspevku temnej hmoty. Rovnako ako pri modelových údajoch zistili, že postup prispôsobenia pripisoval všetok signál temnej hmoty iným zdrojom. Iba ak by nastavili príspevok temnej hmoty na približne 15 percent alebo viac, začalo by sa to prejavovať vo výsledkoch.

Hoci výsledky možno vysvetliť zhodou okolností, zdá sa pravdepodobnejšie, že štatistický postup jednoducho nie je dostatočne dobrý. Dôsledkom je, že vysvetlenie tmavej hmoty pre prebytok kozmického žiarenia je späť na stole.

Physical Review Letters, 2019, DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.241101 (O DOI)