Астрофизики предложили возможное объяснение тому, почему загадочное гамма-излучение из центра Млечного Пути может быть связано с тёмной материей, но при этом аналогичные сигналы отсутствуют в карликовых галактиках — спутниках нашей звёздной системы.
Речь идёт о так называемом Галактическом центре, где уже много лет наблюдается избыток гамма-лучей, который по своим характеристикам напоминает сигнал от аннигиляции частиц тёмной материи с массой около 50 гигаэлектронвольт. Альтернативное объяснение этого явления — большое количество слабых миллисекундных пульсаров в центре Галактики. Обычно, чтобы подтвердить, что сигнал действительно порождён тёмной материей, а не обычными астрофизическими объектами, учёные ищут похожие сигналы от карликовых галактик, где почти нет других источников гамма-излучения. Однако такие наблюдения пока не дали результатов, что ставит под сомнение природу загадочного излучения.
Авторы новой работы предлагают модель, в которой тёмная материя состоит из двух типов частиц — основного состояния, лёгкого, и немного более тяжёлого возбуждённого состояния, причём разница в массах между ними очень мала.
Гамма-лучи рождаются только при совместной аннигиляции этих двух типов частиц. Вскоре после Большого взрыва почти все тяжёлые частицы исчезают, и тёмная материя остаётся в основном в лёгком состоянии. Однако в гало Млечного Пути частицы тёмной материи движутся достаточно быстро, и их кинетической энергии хватает, чтобы при столкновениях «перепрыгнуть» через небольшой массовый порог и снова образовать тяжёлые частицы. Эти вновь рождённые тяжёлые частицы затем аннигилируют с лёгкими, порождая гамма-излучение. В карликовых же галактиках частицы тёмной материи движутся гораздо медленнее — их скорость примерно в тысячу раз меньше, чем в нашей Галактике. Им не хватает энергии, чтобы образовать тяжёлые частицы, поэтому совместная аннигиляция практически не происходит, и гамма-сигнал от карликовых галактик оказывается подавлен.
Ключевой параметр модели — это как раз массовый порог между двумя состояниями. Он подбирается так, чтобы его можно было преодолеть в быстрой среде Млечного Пути, но невозможно — в медленных карликовых галактиках. Для конкретной реализации авторы используют двух-хиггсовскую модель с двумя переносчиками взаимодействия: один отвечает за аннигиляцию и связывает тёмную материю с обычными фермионами, другой — за переход между состояниями и представляет собой лёгкий скаляр, который не взаимодействует с обычным веществом. При этом модельные параметры согласуются с наблюдаемой плотностью тёмной материи во Вселенной, с ограничениями на эффективное число нейтринных типов из космологии, а также с результатами прямых поисков тёмной материи на детекторах.
Таким образом, если в будущем телескопы не обнаружат гамма-излучения от карликовых галактик, это ещё не будет означать, что тёмная материя не может объяснять сигнал из центра Галактики. Просто её свойства могут оказаться более сложными, чем предполагалось ранее, а связь между разными астрофизическими объектами — не такой прямой. Исследование открывает новые возможности для интерпретации экспериментов по непрямому поиску тёмной материи и показывает, как богатой может быть физика за пределами стандартной космологической картины.