Gama ışını araştırması, Samanyolu’nun iç kısmındaki karanlık maddenin yok edilmesine yeni sınırlar getiriyor

Karanlık madde, evrende tespit edilebilir ışığı yaymayan, absorbe etmeyen veya yansıtmayan ve normal maddeyle çok zayıf etkileşime girdiği görülen bir madde türü olabilir. Fizikçiler karanlık maddeye atfedilen çekimsel etkileri gözlemlemiş olsalar da, onun neyden yapıldığını henüz belirleyemediler.

Bir hipotez, karanlık maddenin bazen yok olan parçacıklardan oluştuğu, yani ikisi buluştuğunda başka parçacıklara dönüştüğü yönünde. Bazı varsayımsal karanlık madde parçacıklarının bu süreç sırasında gama ışınları (yani ışığın oldukça enerjik bir formu) ürettiği tahmin edilmektedir.

Bu parçacıkların varlığına dair bir ipucu, farklı enerjilere düzgün bir şekilde yayılmak yerine, gama ışınlarının belirli bir enerjide olağandışı bir konsantrasyonu olabilir. Gama ışını çizgisi adı verilen böyle bir konsantrasyon, karanlık maddenin özellikle yoğun olduğu düşünülen galaksimizin merkezine, Samanyolu’na doğru tespit edilebilir.

Dünya çapındaki kurumlarda çalışan büyük bir araştırmacı grubu olan HESS (Yüksek Enerji Stereoskopik Sistem) İşbirliği, yakın zamanda işbirliğinin Namibya’daki teleskop dizisi tarafından toplanan gözlemleri kullanarak bir gama ışını çizgisi aradı. Bu teleskoplar, gelen gama ışınlarının Dünya atmosferine çarpmasıyla oluşan ışık parlamalarını tespit ediyor.

Bu araştırmanın sonuçları bir makalede yayınlandı. Fiziksel İnceleme Mektuplarıikna edici bir karanlık madde sinyali vermedi ancak önerilen karanlık madde parçacıklarının olası yok edilmesine yeni sınırlar koydu.

HESS İşbirliği’nden araştırmacı Emmanuel Moulin CEİD’a şöyle konuştu: “Temel kütlesel elektrozayıf parçacıklar (WIMP’ler) formundaki karanlık madde, astrofizikten kozmolojik ölçeklere kadar evrendeki karanlık maddeyi açıklamak için en çok tercih edilen adaylar arasındadır.”

“HESS gözlemevi, uzun süredir çok yüksek enerjili (E>100 GeV) gama ışınlarında kendi kendini yok etmesi yoluyla WIMP’leri tespit etmek için en umut verici hedef olarak kabul edilen Samanyolu’nun merkezinde yirmi yılı aşkın bir süre WIMP’leri aradıktan sonra, WIMP’lerin ilgili yok olma kesitini araştırmak için yeterli veri elde etti.”

Galaktik merkezden ayırt edici bir sinyal arıyoruz

HESS İşbirliği, HESS sistemini işleten ve verilerini analiz eden uluslararası araştırma ekibidir. Sistem, güney Afrika’daki Namibya’da bulunan bir dizi atmosferik Çerenkov teleskopundan (IACT) oluşuyor.

HESS İşbirliği’nden araştırmacı Alessandro Montanari, “Analiz ettiğimiz veriler, Dünya atmosferinde ışık hızından daha hızlı hareket eden parçacıkların oluşturduğu Çerenkov ışık parıltılarından oluşuyor” diye açıkladı.

“Bu parçacıklar, evrenden gelen yüksek enerjili fotonlar tarafından başlatılan çağlayanlar veya sağanak yağmurlar halinde geliyor. Bu teknikle, en enerjik olayları gözlemleyebildik; örneğin iki karanlık madde parçacığının hızla iki yüksek enerjili fotona dönüştüğünde gerçekleşebileceğine inandığımız şey; buna karanlık madde yok oluşunun spektral çizgisi diyoruz.”

Moulin, Montanari ve meslektaşları, 2014 ile 2020 yılları arasında HESS teleskopları tarafından toplanan ve Samanyolu’nun merkezi etrafındaki bölgeyi kapsayan 546 saatlik gözlemleri analiz etti. Ekip, bazı karanlık madde modellerinin parçacıkların yok edilmesinden kaynaklanabileceğini öngördüğü, belirli bir enerjideki dar gama ışınları konsantrasyonlarını aradı.

Montanari, “Ağır karanlık madde parçacıklarının sözde yok olma kesitinde en kısıtlayıcı sonuçları elde ettik” diye açıkladı. “Bu mümkün oldu çünkü HESS şu anda Güney Yarımküre’deki tek aktif IACT dizisidir – yani Samanyolu’nun merkezini gözlemlemek için mükemmel bir konumdadır – ve bu yazının yazıldığı sırada bu bölgenin IACT gözlemlerine ilişkin en büyük veri setlerinden birini kullandık.

“Yok olma kesitini, parçacığın bir başka parçacıkla çarpıştığında boyutu olarak düşünün ve her ikisi de ortadan kaybolsun ya da daha spesifik olarak, daha önce bahsettiğimiz iki foton gibi başka bir şeye dönüşsün.”

Karanlık maddenin yok edilmesine daha güçlü sınırlar koymak

HESS İşbirliği, analiz edilen verilerde istatistiksel olarak anlamlı bir gama ışını çizgisi gözlemlemedi. Bununla birlikte ekip, gelecekteki karanlık madde aramalarına bilgi verebilecek öngörülen imha sinyaline üst sınırlar koyabilir.

Samanyolu’nda karanlık maddenin nasıl dağıldığına ilişkin belirli bir model (yani Einasto modeli) bağlamında, araştırmacılar aradıkları gama ışını çizgisi sinyaline şimdiye kadarki en güçlü sınırları koydular. Elde edilen sonuçlar aynı zamanda, inceledikleri galaktik karanlık madde modelleri kapsamında önerilen bir karanlık madde adayı olan termal Higgsino’ya da ilk kez meydan okuyor.

Montanari, “Analizimiz, olası karanlık madde parçacık kütlelerinin geniş bir aralığında bu boyut için en küçük üst sınırı belirliyor” diye açıkladı. “Teleskoplarımızın enerji aralığı dahilinde kapsayabildiğimiz tüm kütle değerlerini test ediyoruz çünkü karanlık madde parçacığının kütlesini bilmiyoruz.”

Daha hassas gama ışını teleskoplarıyla gelecekte yapılacak araştırmalar, bu sonuçları temel alarak daha güçlü sınırlar koyabilir veya potansiyel olarak karanlık madde yok oluşuyla bağlantılı bir gama ışını sinyalini tanımlayabilir.

Moulin, “Çerenkov Teleskop Dizisi Gözlemevi (CTAO), Paranal, Şili’de bulunan CTAO-Güney ve Kanarya Adaları, La Palma’daki Roque de los Muchachos Gözlemevi’nde bulunan CTAO-Kuzey olmak üzere iki bölgede inşa ediliyor; şu anda çalışan HESS gibi atmosferik Cherenkov teleskoplarıyla karşılaştırıldığında daha geniş bir görüş ve kabul alanı ve daha yüksek açısal ve enerji çözünürlükleri nedeniyle gelişmiş hassasiyete sahip.” diye ekledi Moulin.

“HESS ile yürütülen gözlem programı önemli bir mirastır ve bir bütün olarak TeV WIMP paradigmasına dair önemli bilgiler sağlayacak olan CTAO ile galaktik merkezin gelecekteki planlı gözlemlerinin önünü açmaktadır.”