Մութ նյութը մեր տնային գալակտիկայի կենտրոնում 

Ֆերմիի աստղադիտակը մեր գալակտիկայի կենտրոնում կատարել է γ-ճառագայթների ավելցուկային ճառագայթման մաքուր դիտարկում, որը թվում էր ոչ գնդաձև և հարթեցված: Այս ավելցուկային γ-ճառագայթը, որը կոչվում է Գալակտիկայի կենտրոնի ավելցուկ (ԳԿԱ), մութ նյութի հնարավոր նշան է, որը առաջանում է թույլ փոխազդող զանգվածային մասնիկների (ՎԿՄՄ) ինքնաոչնչացման արդյունքում, որոնք մութ նյութի մասնիկի թեկնածու են: Այնուամենայնիվ, գալակտիկայի կենտրոնում դիտարկվող ավելցուկային γ-ճառագայթը կարող է նաև պայմանավորված լինել հին միլիվայրկյանային պուլսարներով (ՄԶՊ): Մինչ օրս համարվում էր, որ մութ նյութի (ՄՆ) պատճառով ԳԿԱ ձևաբանությունը կլինի գնդաձև: Վերջերս կատարված սիմուլյացիոն ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ ՄՆ-ի պատճառով գամմա-ճառագայթների ձևաբանությունը կարող է լինել զգալիորեն ոչ գնդաձև և հարթեցված: Սա նշանակում է, որ դիտարկվող ԳԿԱ-ի համար և՛ մութ նյութի (ՄՆ) ոչնչացումների, և՛ միլիվայրկյանային պուլսարների (ՄԶՊ) վարկածները հավասարապես հնարավոր են: Մութ նյութի (ՄՆ) ոչնչացման ժամանակ առաջացած գամմա ճառագայթները կունենան չափազանց բարձր էներգիայի մակարդակ՝ մոտավորապես 0.1 տերաէլեկտրոն-վոլտ (ՏեՎ): Ստանդարտ գամմա-ճառագայթային աստղադիտակները չեն կարող անմիջապես հայտնաբերել այս բարձր էներգիայի ֆոտոնները: Հետևաբար, Գալակտիկայի կենտրոնի ավելցուկի (GCE) մութ նյութի (DM) մոդելի հաստատումը հնարավոր կլինի տերագմա-ճառագայթային աստղադիտարանների կողմից, ինչպիսիք են Չերենկովի աստղադիտակների զանգվածային աստղադիտարանը (CTAO) և Հարավային լայն դաշտի գամմա-ճառագայթային աստղադիտարանը (SWGO), ուսումնասիրությունների ավարտից հետո:

Մութ նյութի պատմությունը սկսվել է 1933 թվականին, երբ Ֆրից Ցվիկին նկատել է, որ Կոմայի կույտի արագ շարժվող գալակտիկաները չեն կարող միասին մնալ և կայուն մնալ առանց լրացուցիչ նյութի առկայության, որը ինչ-որ կերպ անտեսանելի է, բայց ունի բավարար գրավիտացիոն ազդեցություն՝ գալակտիկաների քայքայումը կանխելու համար: Նա հորինել է «մութ նյութ» տերմինը՝ նման անտեսանելի նյութին վերաբերելու համար: 1960-ականներին Վերա Ռուբինը հիմնարար ներդրում է ունեցել մութ նյութի մեր հասկացողության մեջ: Նա նշել է, որ Անդրոմեդայի և այլ գալակտիկաների արտաքին եզրերին գտնվող աստղերը պտտվում են նույնքան արագությամբ, որքան աստղերի արագությունը դեպի կենտրոն: Բոլոր դիտարկված նյութի տրված գումարի համար գալակտիկան պետք է որ հեռացած լիներ իրարից, ինչը պահանջում էր որոշ լրացուցիչ անտեսանելի նյութի առկայություն, որը պահում է գալակտիկաները միասին և ստիպում է դրանք պտտվել մեծ արագությամբ: Անդրոմեդա գալակտիկայի պտտման կորերի նրա չափումները տրամադրել են մութ նյութի գոյության ամենավաղ ապացույցները:  

Այժմ մենք գիտենք, որ մութ նյութը չի փոխազդում լույսի կամ էլեկտրամագնիսական ուժի հետ։ Այն չի կլանում, չի անդրադարձնում կամ չի արձակում լույս կամ որևէ այլ էլեկտրամագնիսական ճառագայթում և անտեսանելի է, հետևաբար կոչվում է մութ։ Սակայն այն կուտակվում է գրավիտացիոն կերպով և ունի գրավիտացիոն ազդեցություն սովորական նյութի վրա, և այսպես է ընդհանուր առմամբ ենթադրվում դրա ներկայությունը տիեզերքում։ Գալակտիկաները հավասարակշռության մեջ են պահվում մութ նյութի գրավիտացիոն ազդեցության շնորհիվ, որը կազմում է տիեզերքի զանգվածային էներգիայի պարունակության մինչև 26.8%-ը, մինչդեռ ամբողջ դիտարկելի տիեզերքը, ներառյալ ամբողջ բարիոնային սովորական նյութը, որից կազմված ենք մենք բոլորս, կազմում է տիեզերքի ընդամենը 4.9%-ը։ Տիեզերքի զանգվածային էներգիայի պարունակության մնացած 68.3%-ը մութ էներգիա է։  

Հայտնի չէ, թե իրականում ինչ է մութ նյութը։ Մթության մեջ հիմնարար մասնիկներ չկան։ Ստանդարտ մոդել ունեն մութ նյութ լինելու համար անհրաժեշտ հատկությունները: Հնարավոր է՝ մութ նյութը կազմում են հիպոթետիկ «սուպերսիմետրիկ մասնիկները», որոնք Ստանդարտ մոդելի մասնիկների գործընկերներն են: Հնարավոր է՝ գոյություն ունի մութ նյութի զուգահեռ աշխարհ: WIMP-ները (թույլ փոխազդող զանգվածային մասնիկներ), աքսիոնները կամ ստերիլ նեյտրինոները Ստանդարտ մոդելից դուրս ենթադրյալ մասնիկներ են, որոնք առաջատար թեկնածուներ են: Այնուամենայնիվ, նման մասնիկների հայտնաբերման գործում դեռևս հաջողություններ չեն գրանցվել:  

Կան մի քանի նախագծեր (օրինակ՝ Քսենոնի փորձ, DarkSide-20k նախագիծ, EURECA փորձ, և RES-NOVA) ներկայումս ընթացքի մեջ են մութ նյութի մասնիկների անմիջական հայտնաբերման աշխատանքները: Սրանք հիմնականում հեղուկ ազնիվ գազի դետեկտորներ կամ կրիոգեն դետեկտորներ են, որոնք նախատեսված են մութ նյութի մասնիկների փոխազդեցություններից առաջացող թույլ ազդանշանները հայտնաբերելու համար: Այնուամենայնիվ, չնայած բազմաթիվ նոր մոտեցումներին, դեռևս ոչ մի նախագիծ չի կարողացել անմիջականորեն հայտնաբերել որևէ մութ նյութի մասնիկ: 

Մութ նյութի անուղղակի ապացույցների համար կարելի է փնտրել մութ նյութի գրավիտացիոն ազդեցությունները, ինչպես Ֆրից Ցվիկին և Վերա Ռուբինը հայտնաբերեցին մութ նյութը՝ ուսումնասիրելով, թե ինչպես են գալակտիկաները պահվում միասին, չնայած դիտարկվող սովորական նյութի համար անհամաչափ բարձր արագություններին: Լույսի ոսպնյակավորման (ծռման) գրավիտացիոն ազդեցությունները և տիեզերքում աստղերի շարժման վրա ազդեցությունը նույնպես կարող են անուղղակի ապացույցներ լինել մութ նյութի առկայության մասին: Բացի այդ, տիեզերքում մութ նյութի մասնիկների միմյանց հետ բախվելիս առաջացող ոչնչացման արգասիքները (օրինակ՝ գամմա ճառագայթներ, նեյտրինոներ և տիեզերական ճառագայթներ) նույնպես կարող են վկայել մութ նյութի առկայության մասին: Մութ նյութի մասնիկների ոչնչացման արգասիքների հիման վրա մութ նյութի կանխատեսման նման վայրերից մեկը մեր հայրենի գալակտիկայի՝ Ծիր Կաթինի կենտրոնն է:  

Մութ նյութի հայտնաբերումը մեր տնային գալակտիկայի՝ Ծիր Կաթինի կենտրոնում  

Ծիր Կաթինի կենտրոնում (MW) կային դիֆուզ միկրոալիքային կենտրոնական փայլի ավելցուկի նշաններ։ Առաջարկվում էր, որ ավելցուկային փայլը պայմանավորված է WIMP մութ նյութի ոչնչացման ժամանակ առաջացած ռելյատիվիստական ​​էլեկտրոններից և պոզիտրոններից սինխրոտրոնային ճառագայթմամբ, հետևաբար կանխատեսվում էր մինչև մի քանի հարյուր ԳէՎ էներգիայի տիրույթում ընդլայնված դիֆուզ γ-ճառագայթային ազդանշան։ Հետագայում Ֆերմիի մեծ տարածքի աստղադիտակը (LAT) հայտնաբերեց γ-ճառագայթային ազդանշանը, որը նույնականացվեց որպես Գալակտիկայի կենտրոնի ավելցուկ (GCE): Շուտով հասկացվեց, որ Գալակտիկայի կենտրոնի ավելցուկը (GCE) կարող է պայմանավորված լինել նաև հին նեյտրոնային աստղերով (միլիվայրկյանային պուլսարներ)։ Կարծիք կար, որ GCE-ի ձևաբանությունը կարևոր կլինի. սիմետրիկ գնդաձև GCE-ն կնշանակեր մութ նյութի (DM) մասնիկների ոչնչացումից γ-ճառագայթների ճառագայթում, մինչդեռ GCE-ի հարթեցված ձևաբանությունը կենթադրեր միլիվայրկյանային պուլսարներից (MSP) γ-ճառագայթների ճառագայթում։  

Ֆերմի-Մեծ տարածքի աստղադիտակի (LAT) միջոցով Ծիր Կաթին գալակտիկայի կենտրոնի լայնածավալ դիտարկումները բացահայտեցին հարթեցված ասֆորմիա։ Սովորաբար, դիտարկված ասֆորմիան կկապվեր հին աստղերի (MSP) հետ, սակայն 2025 թվականի հոկտեմբերի 16-ին հրապարակված վերջերս կատարված ուսումնասիրությունը եզրակացրել է, որ հին աստղերի (MSP) և մութ նյութի (DM) ոչնչացման մոդելներով կանխատեսված GCE ձևաբանությունները անբաժանելի են։   

Մութ նյութի բաշխումն ուսումնասիրելու համար հետազոտողները կատարել են Ծիր Կաթինին նման գալակտիկաների ձևաբանության մոդելավորում: Նրանք պարզել են, որ գալակտիկաների շուրջը գտնվող մութ նյութի հալոները, ինչպես նաև գալակտիկաների կենտրոնական շրջանները, հազվադեպ են գնդաձև, ինչպես ենթադրվում էր անիզոտրոպ մոդելում: Փոխարենը, վերլուծությունը ցույց է տվել բոլոր գալակտիկաների համար մութ նյութի խտության հարթեցված պրոյեկցիա: Այս ոչ առանցքային սիմետրիկ մութ նյութի (ՄՆ) բաշխումը ցույց է տրվել նաև Ծիր Կաթին գալակտիկայի միաձուլման պատմությամբ տիեզերքի պատմության առաջին երեք միլիարդ տարիների ընթացքում: Ծիր Կաթին գալակտիկայի դիտարկված ձևաբանությունը հարթեցված է կենտրոնական շրջանի վրա, ինչը, ընդհանուր առմամբ, համարվում է հին աստղերի (ՄԱԱ) բաշխման բնորոշ: Նոր ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ մութ նյութը (ՄՆ) առաջացնում է նմանատիպ քառակուսի բաշխում: Այսպիսով, դիտարկված ՄԱԱ-ի համար և՛ մութ նյութի (ՄՆ) ոչնչացումների, և՛ միլիվայրկյանային պուլսարների (ՄԱԱ) վարկածները հավասարապես հնարավոր են:   

Դիտարկված ԳՄԱ-ն պայմանավորված է մութ նյութով (ՄՄ), թե՞ միլիվայրկյանային պուլսարներով (ՄԼՊ), պարզ կդառնա, երբ γ-ճառագայթային աստղադիտարանները, ինչպիսիք են Չերենկովի աստղադիտակի զանգվածային աստղադիտարանը (CTAO) և Հարավային լայնադաշտի գամմա-ճառագայթային աստղադիտարանը (SWGO), ապագայում ավարտեն իրենց տերագամմա ճառագայթների ուսումնասիրությունները: Գալակտիկայի կենտրոնում մութ նյութի (ՄՄ) ոչնչացման արգասիք լինելու հետևանքով առաջացած գամմա ճառագայթները կլինեն գերբարձր էներգիայի ֆոտոններ՝ մոտավորապես 0.1 տերաէլեկտրոն-վոլտ (TeV) չափազանց բարձր էներգիայի մակարդակով: Ստանդարտ գամմա-ճառագայթային աստղադիտակները չեն կարող անմիջապես հայտնաբերել այս բարձր էներգիայի ֆոտոնները: Տերագամմա ճառագայթները կարևոր թիրախ են լինելու ապագա γ-ճառագայթային աստղադիտարանների համար, ինչպիսիք են CTAO-ն և SWGO-ն:  

Այս ուսումնասիրությունը մեկ քայլ առաջ է տիեզերքում մութ նյութի հայտնաբերման գործում՝ դրա ոչնչացման արգասիքների միջոցով, սակայն ապագայում գալակտիկայի կենտրոնում մութ նյութի առկայությունը կպահանջի հաստատում գերբարձր էներգիայի γ-ճառագայթային աստղադիտարանների կողմից, ինչպիսիք են CTAO-ն կամ SWGO-ն: Մութ նյութի գիտության մեջ շատ ավելի նշանակալի առաջընթաց կլինի ցանկացած DM մասնիկի անմիջական հայտնաբերումը:  

*** 

Հիշատակում:  

1. Հոխբերգ, Յ., Կան, ՅՖ, Լինե, ՌԿ և այլք։ Մութ նյութի հայտնաբերման նոր մոտեցումներ։ Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022)։ https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Միսիաշեկա Մ. և Ռոսիբ Ն. 2024։ Մութ նյութի ուղղակի հայտնաբերում. քննադատական ​​​​ակնարկ։ Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Ֆիզիկայի կորպուսկուլյար ինստիտուտ։ Մութ նյութի որոնումներում. անտեսանելիի հայտնաբերման նոր մոտեցում։ 2025 թվականի օգոստոսի 22։ Հասանելի է հետևյալ հասցեով։ https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Մուրու ՄՄ և այլք, 2025թ.։ Ֆերմի-ԼԱՏ գալակտիկական կենտրոնի ավելցուկային մութ նյութի մորֆոլոգիան Ծիր Կաթին գալակտիկայի մոդելավորումներում։ Physical Review Letters. 135, 161005։ Հրատարակված՝ 2025թ. հոկտեմբերի 16-ին։ DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Նախատպագրական տարբերակը arXiv-ում։ Ներկայացվել է 2025 թվականի օգոստոսի 8-ին։ DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Ջոնս Հոփքինսի համալսարան։ Նորություններ – Ծիր Կաթինում առկա խորհրդավոր լույսը կարող է լինել մութ նյութի գոյության ապացույց։ Հրապարակվել է 2025 թվականի հոկտեմբերի 16-ին։ Հասանելի է հետևյալ հասցեով՝ https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Լեյբնիցի աստղաֆիզիկայի ինստիտուտ։ Նորություններ – Ծիր Կաթինը ցույց է տալիս գամմա ճառագայթների ավելցուկ՝ մութ նյութի ոչնչացման պատճառով։ Հրապարակվել է 2025 թվականի հոկտեմբերի 17-ին։ Հասանելի է հետևյալ հասցեով՝ https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Ֆերմիի գամմա-ճառագայթային տիեզերական աստղադիտակ։ Հասանելի է https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Չերենկովի աստղադիտակի զանգվածային աստղադիտարան (CTAO): Հասանելի է https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Հարավային լայնադաշտի գամմա-ճառագայթային աստղադիտարան (SWGO): Հասանելի է հետևյալ հասցեով՝ https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Տարտուի աստղադիտարան։ Տիեզերքի մութ կողմը։ Հասանելի է https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***