В центре Млечного Пути уже более десяти лет наблюдается необычный избыток гамма-излучения, происхождение которого остаётся неизвестным. Сигнал получил название Galactic Center Excess, или избыток гамма-излучения в центре Галактики. Его обнаружили в данных космического гамма-телескопа Fermi, и с тех пор астрономы и физики пытаются определить, что именно создаёт это свечение.
Одна из наиболее обсуждаемых возможностей связана с тёмной материей. Если частицы тёмной материи способны уничтожать друг друга при столкновении, такой процесс может сопровождаться появлением гамма-лучей. Однако до сих пор существовали серьёзные аргументы в пользу обычных астрофизических источников — прежде всего большого количества слабых пульсаров.
Новое исследование не обнаружило тёмную материю и не доказало её связь с наблюдаемым сигналом. Его результат значительно более осторожный, но при этом важный: после одновременного учёта пространственного распределения гамма-квантов и энергии каждого из них сигнал перестал требовать большого количества точечных источников. В используемой модели он оказался статистически совместим с распределённым излучением, которое может соответствовать аннигиляции тёмной материи. Если же источники всё-таки являются отдельными объектами, их количество должно быть намного больше, чем предполагали предыдущие оценки.
Загадочный сигнал в центре Млечного Пути
Центр нашей Галактики — один из самых сложных участков неба для наблюдений в гамма-диапазоне. Здесь находится огромное количество звёзд, компактных объектов, межзвёздного газа и других источников высокоэнергетического излучения. В самом центре располагается сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A*, но наблюдаемое распределение гамма-излучения не позволяет просто связать весь избыток с ней.
В 2009 году телескоп Fermi обнаружил, что после учёта известных источников в направлении центра Млечного Пути остаётся дополнительное гамма-излучение. Оно не выглядит как один яркий объект. Напротив, избыток представляет собой протяжённую область, окружающую галактический центр. Именно эта особенность и стала причиной продолжительных споров о природе сигнала.
Проблема заключается не в том, что гамма-излучение в центре Галактики само по себе является неожиданностью. Высокоэнергетическое излучение там совершенно естественно. Необычным является именно дополнительный компонент, который остаётся после моделирования других известных процессов.
Исследователям приходится отделять его от множества перекрывающихся источников и фоновых процессов. Ошибка в описании одного из компонентов может повлиять на выводы обо всём избытке. Поэтому вопрос о его происхождении нельзя решить простым подсчётом зарегистрированных гамма-квантов.
Что именно наблюдает Fermi
Космический гамма-телескоп Fermi регистрирует отдельные гамма-кванты и позволяет определить направление их прихода и энергию. Это даёт возможность построить карту гамма-излучения в районе центра Млечного Пути.
После удаления известных источников остаётся более слабый и протяжённый сигнал. Он особенно заметен в области энергий порядка нескольких гигаэлектронвольт, хотя характеристики сигнала зависят от используемой модели галактического фона и методов анализа.
Важна и геометрия сигнала. Он имеет приблизительно сферически симметричную структуру вокруг галактического центра, что в прошлом стало одним из аргументов в пользу гипотезы о тёмной материи. Распределение вещества тёмной материи в центре галактики также должно быть наиболее плотным, поэтому именно там ожидается максимальная вероятность её возможной аннигиляции.
Однако похожее распределение потенциально может возникнуть и при наличии большого количества слабых объектов, которые невозможно различить по отдельности.
Почему пульсары оказались главным конкурентом тёмной материи
Одним из наиболее серьёзных объяснений избытка стали миллисекундные пульсары. Это быстро вращающиеся нейтронные звёзды, способные излучать высокоэнергетические частицы и гамма-лучи.
Если в центральной области Млечного Пути существует большое количество таких объектов, их совокупное излучение может выглядеть для телескопа как единый протяжённый компонент. Отдельные пульсары при этом могут быть слишком слабыми, чтобы Fermi смог зарегистрировать каждый из них самостоятельно.
Именно здесь возникает важная особенность анализа. Наблюдаемое гамма-излучение можно представить как результат работы множества слабых точечных источников или как более гладкое распределённое излучение. Если разрешения телескопа недостаточно для разделения всех источников, эти два сценария могут выглядеть очень похоже.
Предыдущие статистические исследования обнаруживали признаки того, что часть сигнала может быть связана именно с неразрешёнными точечными источниками. Это усиливало интерпретацию через пульсары и создавало дополнительную проблему для гипотезы о тёмной материи.
Но у такого подхода есть принципиальное ограничение: пространственной информации недостаточно для полного разделения двух вариантов.
Почему энергия каждого гамма-кванта оказалась важной
Новое исследование изменило способ анализа данных. Вместо того чтобы рассматривать главным образом расположение зарегистрированных событий на карте, исследователи одновременно использовали пространственную и энергетическую информацию.
Для этого была разработана нейросетевая методика simulation-based inference — статистический подход, в котором алгоритм обучается на большого числа смоделированных наблюдений. В данном случае система была обучена более чем на миллионе искусственно созданных гамма-квантов и карт неба, после чего использовалась для анализа реального сигнала.
Это принципиально отличается от обычного применения машинного обучения для автоматической классификации объектов. Нейросеть здесь не должна была просто сказать, «похож» ли участок карты на пульсар или тёмную материю. Её использовали для статистического вывода о свойствах всей совокупности источников на основе смоделированных вариантов наблюдений.
Главным дополнением стала энергия отдельных гамма-квантов.
Предыдущие анализы, направленные на поиск слабых точечных источников, в значительной степени использовали пространственную структуру сигнала. Новая методика позволила одновременно учитывать, где зарегистрирован гамма-квант и какую энергию он имеет. Это дало возможность гораздо жёстче проверить сценарий с множеством слабых источников.
Что изменилось после добавления спектральной информации
Результат оказался существенным.
Когда учитывалась только пространственная информация, избыток можно было описывать с помощью популяции слабых точечных источников. Но после добавления энергетической информации предполагаемые источники становились настолько слабыми, что для объяснения всего сигнала их потребовалось бы огромное количество.
Для лучшей из рассмотренных моделей галактического фона медианная оценка количества точечных источников составила порядка 100 тысяч. Даже нижняя граница, соответствующая 90-процентному уровню, превышала 35 тысяч источников. При этом авторы подчёркивают, что систематические неопределённости в моделировании фона способны уменьшить необходимое количество примерно на порядок.
Это важная оговорка. Нельзя превращать число 35 тысяч в установленное количество пульсаров в центре Млечного Пути. Это не перепись объектов и не наблюдаемое число пульсаров. Это статистическая оценка того, сколько достаточно слабых точечных источников потребовалось бы для объяснения наблюдаемого сигнала при определённых предположениях о галактическом фоне.
Тем не менее полученный масштаб существенно отличается от результатов прежних анализов, которые допускали сотни или несколько тысяч слабых объектов.
Именно поэтому добавление информации об энергии гамма-квантов изменило интерпретацию сигнала.
Как здесь появляется тёмная материя
Тёмная материя пока не была непосредственно обнаружена в виде отдельной частицы. Её существование выводится из множества гравитационных наблюдений, но её микроскопическая природа остаётся неизвестной.
Одна из теоретических возможностей предполагает, что частицы тёмной материи являются собственными античастицами. Тогда при столкновении двух таких частиц они могут аннигилировать, превращая свою энергию в другие частицы.
В некоторых моделях конечными продуктами таких процессов могут становиться частицы, которые в свою очередь создают гамма-излучение. Поэтому область повышенной плотности тёмной материи возле центра Галактики теоретически может быть источником гамма-квантов.
Если именно такой процесс создаёт наблюдаемый избыток, сигнал должен быть распределён не как набор отдельных звёзд, а в соответствии с распределением тёмной материи. При достаточно плохом пространственном разрешении это будет выглядеть как гладкое свечение.
Новое исследование показало, что после учёта энергии гамма-квантов наблюдаемая статистика сигнала становится совместимой с таким распределённым сценарием. Для лучшей модели фона авторы получили результат, статистически совместимый с пуассоновским распределением событий, ожидаемым для гладкого сигнала от аннигилирующей тёмной материи.
Но это не означает, что исследование обнаружило аннигиляцию тёмной материи.
Почему новый результат не является открытием тёмной материи
Главное ограничение работы заключается в том, что один и тот же гамма-сигнал может иметь несколько возможных объяснений.
Исследователи не показали, что тёмная материя обязательно создаёт наблюдаемый избыток. Они показали, что после включения энергетической информации прежний аргумент в пользу большого количества точечных источников становится значительно слабее.
Если источники действительно точечные, их должно быть гораздо больше, чем следовало из предыдущих пространственных анализов. Если же сигнал в значительной степени является диффузным, вариант с аннигиляцией тёмной материи остаётся допустимым.
Поэтому правильная интерпретация результата звучит значительно осторожнее, чем утверждение «тёмная материя найдена». Исследование не определяет физическую природу GCE. Оно показывает, что её нельзя надёжно исключить из числа возможных объяснений на основании прежнего аргумента о точечных источниках.
Это существенная разница. В астрофизике совместимость наблюдений с некоторой гипотезой и обнаружение предсказанного этой гипотезой явления — разные уровни доказательности.
Главная трудность находится в самом центре Галактики
Центр Млечного Пути особенно неудобен для подобного анализа из-за огромного количества фонового излучения.
Там находятся многочисленные звёзды и компактные объекты, газ и пыль, космические лучи и другие источники высокоэнергетических процессов. Все они могут вносить вклад в гамма-карту.
Поэтому исследователям приходится строить модель галактического фона. В неё входят различные компоненты, связанные с космическими лучами и известными источниками. Даже небольшие ошибки в такой модели могут изменить свойства оставшегося избытка.
Именно поэтому авторы отдельно подчёркивают зависимость результата от систематических неопределённостей. Варианты модели фона способны заметно изменить оценку количества точечных источников.
Таким образом, новый метод не устраняет проблему фонового моделирования. Он использует дополнительную информацию, которая позволяет лучше отделять возможные варианты, но окончательный вывод всё равно зависит от того, насколько корректно описана окружающая гамма-среда.
Что означает огромное число предполагаемых источников
Оценка в десятки тысяч или даже порядка сотни тысяч источников имеет важное физическое значение.
Миллисекундные пульсары действительно существуют и способны создавать гамма-излучение. Но для объяснения всего избытка в рамках нового анализа пришлось бы предположить значительно более многочисленную популяцию слабых источников, чем требовалось в предыдущих пространственных исследованиях.
При этом нельзя просто сказать, что такое количество пульсаров невозможно. Центральная область Млечного Пути плохо доступна для прямого подсчёта подобных объектов, а часть из них может быть слишком слабой для индивидуального обнаружения.
Поэтому результат следует понимать как изменение требований к гипотезе точечных источников: чтобы она сохранилась при новом анализе, должна существовать очень большая популяция слабых источников. Насколько реалистична такая популяция, является отдельным астрофизическим вопросом.
Кроме того, оценка зависит от модели фона. Авторы указывают, что систематические вариации могут уменьшить требуемое количество источников примерно на порядок. Поэтому даже полученное большое число нельзя рассматривать как точную оценку реальной популяции пульсаров.
Почему машинное обучение здесь оказалось полезным
В этом исследовании машинное обучение не заменило физическую модель. Оно позволило анализировать сложную статистическую задачу, для которой обычные методы сталкиваются с ограничениями.
Нейросеть обучали на результатах большого количества моделирований. В каждом из них изменялись характеристики источников и фонового излучения, после чего система училась связывать наблюдаемую картину гамма-квантов с параметрами исходной модели.
Особенно важно, что алгоритм одновременно учитывал два типа информации — положение события на небе и его энергию. Именно сочетание этих данных оказалось принципиальным для результата.
Такой подход потенциально полезен и за пределами конкретной загадки центра Млечного Пути. Гамма-астрономия часто работает с ситуациями, когда множество слабых источников накладывается друг на друга и не может быть напрямую разделено телескопом. Статистический анализ всех зарегистрированных событий может предоставить информацию, недоступную при простом поиске отдельных ярких объектов.
При этом машинное обучение не делает исходные данные автоматически более точными. Оно лишь позволяет извлекать из них определённую информацию более эффективно. Если исходная модель фона содержит систематическую ошибку, алгоритм может сохранить зависимость результата от этой ошибки.
Что теперь происходит с гипотезой пульсаров
После нового анализа гипотеза о пульсарах не исчезла.
Миллисекундные пульсары остаются физически возможным источником гамма-излучения в центре Галактики. Более того, существует независимая астрофизическая мотивация ожидать там популяцию компактных объектов.
Однако новый результат показывает, что простая картина «избыток состоит из относительно небольшой популяции неразрешённых пульсаров» стала менее очевидной. Если объяснять сигнал исключительно точечными источниками, статистический анализ требует гораздо большего их количества.
При этом альтернативная модель с гладким распределением излучения оказывается совместимой с данными при определённом описании фона. Именно поэтому спор не завершён ни в пользу пульсаров, ни в пользу тёмной материи.
Следующий этап исследований должен состоять не просто в получении ещё одного числа для количества источников. Необходимо найти наблюдаемые свойства, которые принципиально различаются для двух сценариев.
Какие наблюдения могут решить проблему
Для окончательного ответа необходимо получить дополнительные независимые признаки природы GCE.
Если сигнал создают пульсары, должны существовать характерные особенности популяции компактных источников. Их поиск может включать более детальное изучение пространственного распределения гамма-излучения, корреляций с другими диапазонами электромагнитного спектра и статистики отдельных событий.
Если же сигнал связан с тёмной материей, его свойства должны соответствовать одновременно пространственному распределению предполагаемого тёмного вещества и спектру продуктов аннигиляции. При этом необходимо согласовать такой сценарий с другими экспериментальными ограничениями на свойства частиц тёмной материи.
Особенно важны независимые наблюдения, способные различать гладкое излучение и совокупность слабых точечных источников. Пока обе возможности остаются частью общей картины.
Ситуация осложняется ещё и тем, что тёмная материя не обязана быть единственным возможным источником диффузного гамма-излучения. Поэтому даже отсутствие убедительной популяции пульсаров само по себе не стало бы доказательством аннигиляции тёмной материи.
Загадка остаётся открытой
Гамма-излучение центра Млечного Пути остаётся одной из наиболее известных нерешённых задач современной высокоэнергетической астрофизики. С момента обнаружения избытка в 2009 году были предложены разные объяснения, среди которых фигурируют миллисекундные пульсары, процессы в центральной области Галактики и аннигиляция тёмной материи.
Новое исследование изменило важную часть аргументации. При анализе только пространственной структуры сигнала существовали свидетельства в пользу множества слабых точечных источников. Добавление энергии каждого зарегистрированного гамма-кванта существенно ослабило этот вывод: если сигнал действительно состоит из точечных источников, их должно быть намного больше, чем предполагалось ранее. При этом для одной из моделей галактического фона наблюдаемый избыток оказывается статистически совместимым с гладким излучением, ожидаемым при аннигиляции тёмной материи.
Это возвращает тёмную материю в число возможных объяснений, но не превращает гипотезу в установленный факт. Самое важное здесь — не утверждение о найденной тёмной материи, а изменение того, какие объяснения остаются совместимыми с наблюдениями.
Если будущие исследования смогут обнаружить независимые признаки, однозначно отличающие распределённый сигнал от огромной популяции слабых пульсаров, загадка центра Млечного Пути приблизится к решению. Пока же гамма-свечение остаётся своеобразным космическим тестом сразу для нескольких физических моделей, а новые методы анализа позволяют извлекать из данных Fermi информацию, которую прежние подходы не использовали в полной мере.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
