Тъмна материя в центъра на нашата галактика 

Телескопът Ферми направи ясно наблюдение на излишък от γ-лъчи в центъра на нашата галактика, който изглеждаше несферичен и сплескан. Наричан Излишък от Галактическия Център (GCE), този излишък от γ-лъчи е възможен признак за тъмна материя, възникваща като продукт на самоунищожение на слабо взаимодействащи масивни частици (WIMP), кандидат за частици тъмна материя. Излишъкът от γ-лъчи, наблюдаван в галактическия център, обаче може да се дължи и на стари милисекундни пулсари (MSP). Досега се смяташе, че морфологията на GCE, дължаща се на тъмната материя (DM), би била сферична. Скорошно симулационно проучване разкрива, че морфологията на гама-лъчите, дължаща се на DM, може да бъде значително несферична и сплескана. Това означава, че както хипотезите за анихилация на тъмна материя (DM), така и хипотезите за милисекундни пулсари (MSP) за наблюдавания GCE са еднакво възможни. Гама-лъчите, получени при анихилацията на тъмната материя (DM), биха имали изключително високо енергийно ниво от приблизително 0.1 тераелектронволта (TeV). Стандартните гама-телескопи не могат да засекат директно тези високоенергийни фотони. Следователно, потвърждението на модела на тъмната материя (DM) на излишъка от галактически център (GCE) би било възможно след завършване на изследванията от тера-γ-обсерватории като Черенковската телескопна обсерватория (CTAO) и Южната широкообхватна гама-обсерватория (SWGO).

Историята на тъмната материя започва през 1933 г., когато Фриц Цвики наблюдава, че бързо движещите се галактики в купчето Кома не могат да се държат заедно и да останат стабилни без наличието на допълнителна материя, която е по някакъв начин невидима, но упражнява адекватен гравитационен ефект, за да спре разпадането на галактиките. Той въвежда термина „тъмна материя“, за да обозначи такава невидима материя. През 1960-те години на миналия век Вера Рубин прави основополагащ принос към нашето разбиране за тъмната материя. Тя отбелязва, че звездите във външните краища на Андромеда и други галактики се въртят със скорост, същата като скоростите на звездите към центъра. За дадената сума от цялата наблюдавана материя, галактиката би трябвало да се е разпаднала, което налага наличието на някаква допълнителна невидима материя, която държи галактиките заедно и ги кара да се въртят с високи скорости. Нейните измервания на кривите на въртене на галактиката Андромеда предоставят най-ранните доказателства за тъмна материя.  

Сега знаем, че тъмната материя не взаимодейства със светлината или електромагнитната сила. Тя не абсорбира, не отразява и не излъчва светлина или други електромагнитни лъчения и е невидима, затова се нарича тъмна. Но тя се групира гравитационно и има гравитационен ефект върху обикновената материя и по този начин обикновено се заключава за нейното присъствие в космоса. Галактиките се държат заедно в равновесие от гравитационния ефект на тъмната материя, която съставлява до 26.8% от масовото енергийно съдържание на Вселената, докато цялата наблюдаема Вселена, включително цялата барионна обикновена материя, от която всички сме съставени, съставлява само 4.9% от Вселената. Останалите 68.3% от масовото енергийно съдържание на Вселената е тъмна енергия.  

Не е известно какво всъщност представлява тъмната материя. Няма фундаментални частици в нея. Standard Model притежават свойствата, необходими за да бъдат тъмна материя. Може би хипотетични „суперсиметрични частици“, които са партньори на частиците в Стандартния модел, създават тъмна материя. Може би съществува паралелен свят на тъмна материя. WIMP (слабо взаимодействащи масивни частици), аксиони или стерилни неутрино са хипотетични частици извън Стандартния модел, които са водещи кандидати. Все още обаче не е постигнат успех в откриването на такива частици.  

Има няколко проекта (като например Експеримент с ксенонова киселина, Проект DarkSide-20k, Експеримент с рецепта EURECA, намлява RES-NOVA) в момента се разработват проекти за директно откриване на частици тъмна материя. Това са предимно детектори за течни благородни газове или криогенни детектори, предназначени да откриват слаби сигнали от взаимодействията на частици тъмна материя. Въпреки многото нови подходи обаче, нито един проект все още не е успял директно да открие частица тъмна материя. 

За косвени доказателства за наличието на тъмна материя може да се търсят гравитационни ефекти на тъмната материя, както направиха Фриц Цвики и Вера Рубин, за да открият тъмната материя, като изучават как галактиките се държат заедно, въпреки че имат непропорционално високи скорости за наблюдаваната обикновена материя. Гравитационните ефекти на лещирането (пречупване на светлината) и ефектите върху движението на звездите в космоса също могат да предоставят косвени доказателства за наличието на тъмна материя. Освен това, продуктите от анихилация (като гама-лъчи, неутрино и космически лъчи), създадени при сблъсък на частици тъмна материя в космоса, също могат да показват наличието на тъмна материя. Едно такова място, където тъмната материя е била предсказана въз основа на продукти от анихилация на частици тъмна материя, е центърът на нашата галактика Млечен път.  

Откриване на тъмна материя в центъра на нашата галактика Млечен път  

Имаше индикации за излишък от дифузно микровълново централно сияние в центъра на Млечния път (MW). Предполагаше се, че излишното сияние се дължи на синхротронна емисия от релативистични електрони и позитрони, генерирани при анихилация на тъмната материя от WIMP, следователно беше предсказан разширен дифузен γ-лъчев сигнал в енергийния диапазон до няколкостотин GeV. Впоследствие телескопът Fermi-Large Area (LAT) засече γ-лъчевия сигнал, който беше идентифициран като Излишък на галактическия център (GCE). Скоро беше осъзнато, че Излишъкът на галактическия център (GCE) може да се дължи и на стари неутронни звезди (милисекундни пулсари). Смяташе се, че морфологията на GCE би била важна – симетричен сферично оформен GCE би бил показателен за γ-лъчева емисия от анихилация на частици тъмна материя (DM), докато сплескана морфология на GCE би предполагала γ-лъчева емисия от милисекундни пулсари (MSP).  

Обширните наблюдения на галактическия център на Млечния път от телескопа Fermi-Large Area (LAT) разкриха сплескана асферичност. Обикновено наблюдаваната асферичност би се свързала със стари звезди (MSP), но скорошно проучване, публикувано на 16 октомври 2025 г., заключи, че морфологиите на GCE, предсказани както от моделите на анихилация на стари звезди (MSP), така и от моделите на анихилация на тъмна материя (DM), са неразличими.   

За да изследват разпределението на тъмната материя, изследователите проведоха симулация на морфологията на галактики, подобни на Млечния път (MW). Те откриха, че ореолите на тъмната материя около галактиките, както и около централните области на галактиките, рядко са сферични, както се предполага в анизотропния модел. Вместо това, анализът показа сплескана проекция на плътността на тъмната материя за всички галактики. Това неосиметрично разпределение на тъмната материя (DM) беше показано и от историята на сливането на галактиката Млечен път през първите три милиарда години от историята на Вселената. Наблюдаваната морфология на GCE е сплескана над централната област, което обикновено се смята за характерно за разпределението на старите звезди (MSP). Новото проучване показа, че тъмната материя (DM) генерира подобно квадратно разпределение. По този начин, както хипотезите за анихилации на тъмната материя (DM), така и хипотезите за милисекундни пулсари (MSP) за наблюдаваната GCE са еднакво възможни.   

Дали наблюдаваното GCE се дължи на тъмна материя (DM) или на милисекундни пулсари (MSPs) ще стане известно, когато γ-лъчеви обсерватории като Черенковската телескопична обсерватория (CTAO) и Южната широкообхватна гама-лъчева обсерватория (SWGO) завършат своите тера-гама изследвания в бъдеще. Гама-лъчите, получени като продукт на анихилация на тъмна материя (DM) в галактическия център, биха били ултрависокоенергийни фотони с изключително високо енергийно ниво от приблизително 0.1 тераелектронволта (TeV). Стандартните гама-лъчеви телескопи не могат да засекат тези високоенергийни фотони директно. Тера-гама лъчите ще бъдат важна цел за бъдещи γ-лъчеви обсерватории като CTAO и SWGO.  

Това изследване е стъпка напред в откриването на тъмна материя в космоса чрез нейните анихилационни продукти, но наличието на тъмна материя в галактическия център би изисквало потвърждение от ултрависокоенергийни γ-лъчеви обсерватории като CTAO или SWGO в бъдеще. Много по-значителен напредък в науката за тъмната материя би било директното откриване на всяка DM частица.  

*** 

Литература:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK и др. Нови подходи за откриване на тъмна материя. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. и Rossib N. 2024. Директно откриване на тъмна материя: критичен преглед. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Институт по корпускуларна физика. В търсене на тъмна материя: нов подход за откриване на невидимото. 22 август 2025 г. Достъпно на https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM и др. 2025. Морфология на тъмната материя в галактическия център Fermi-LAT в симулации на галактиката Млечен път. Physical Review Letters. 135, 161005. Публикувано на 16 октомври 2025 г. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Предпечатна версия в arXiv. Подадена на 8 август 2025 г. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Университет „Джонс Хопкинс“. Новини – Мистериозно сияние в Млечния път може да е доказателство за тъмна материя. Публикувано на 16 октомври 2025 г. Достъпно на https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Институт по астрофизика „Лайбниц“. Новини – Млечният път показва излишък от гама-лъчи поради анихилация на тъмната материя. Публикувано на 17 октомври 2025 г. Достъпно на https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Космически гама-лъчев телескоп Ферми. Достъпно на https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Обсерватория с телескоп Черенков (CTAO). Достъпно на https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Южната широколентова гама-обсерватория (SWGO). Достъпно на https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Обсерватория Тарту. Тъмната страна на Вселената. Достъпно на https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***