Манай гэр галактикийн төвд байгаа хар бодис 

Ферми телескоп нь манай гэр галактикийн төвд бөмбөрцөг хэлбэртэй, хавтгайрсан γ-цацрагийн илүүдэл ялгаруулалтыг цэвэрхэн ажиглав. Галактикийн төвийн илүүдэл (GCE) гэж нэрлэгддэг энэхүү илүүдэл γ-туяа нь хар материйн бөөмсийн нэр дэвшигч болох сул харилцан үйлчлэлтэй их хэмжээний бөөмсийг (WIMPs) өөрөө устгасны үр дүнд үүссэн харанхуй материйн шинж тэмдэг юм. Гэсэн хэдий ч галактикийн төвд ажиглагдсан илүүдэл γ-туяа нь хуучин миллисекундын пульсар (MSP)-тай холбоотой байж болно. Өнөөг хүртэл харанхуй материйн (DM) улмаас GCE морфологи нь бөмбөрцөг хэлбэртэй байх болно гэж үздэг. Саяхны симуляцийн судалгаагаар DM-ийн улмаас үүссэн гамма-туяаны морфологи нь бөмбөрцөг хэлбэртэй, хавтгай хэлбэртэй байж болохыг харуулж байна. Энэ нь ажиглагдсан GCE-ийн хар материйн (DM) устах болон миллисекундын пульсар (MSPs) таамаглал хоёулаа адилхан боломжтой гэсэн үг юм. Харанхуй матери (DM) устгах явцад үүссэн гамма туяа нь ойролцоогоор 0.1 тера-электрон-вольт (TeV) маш өндөр энергитэй байх болно. Стандарт гамма-туяа дуран нь эдгээр өндөр энергитэй фотонуудыг шууд илрүүлж чадахгүй. Тиймээс Черенковын дурангийн массивын ажиглалтын төв (CTAO) болон Өмнөд өргөн талбайн гамма-цацрагийн ажиглалтын төв (SWGO) зэрэг тера γ-туяа ажиглагчийн судалгаа дууссаны дараа Галактикийн төвийн илүүдэл (GCE) харанхуй материйн (DM) загварыг батлах боломжтой болно.

Харанхуй материйн түүх 1933 онд Фриц Цвики комын бөөгнөрөл дэх хурдан хөдөлдөг галактикууд ямар нэгэн байдлаар үл үзэгдэх нэмэлт бодисгүйгээр нэгдэж, тогтвортой байж чадахгүй гэдгийг ажигласнаар эхэлсэн боловч галактикуудыг задрахыг зогсоох хангалттай таталцлын нөлөө үзүүлдэг. Тэрээр ийм үл үзэгдэх бодисыг хэлэхийн тулд "хар бодис" гэсэн нэр томъёог бий болгосон. 1960-аад онд Вера Рубин харанхуй материйн талаарх бидний ойлголтод чухал хувь нэмэр оруулсан. Андромеда болон бусад галактикуудын гадна талын одод төв рүү чиглэсэн оддын хурдтай адил хурдтай эргэлдэж байгааг тэрээр тэмдэглэв. Ажиглагдсан бүх материйн өгөгдсөн нийлбэрийн хувьд галактик нь салж, галактикуудыг хамтад нь байлгаж, өндөр хурдтайгаар эргэдэг нэмэлт үл үзэгдэх бодис байх ёстой. Түүний Андромеда галактикийн эргэлтийн муруйг хэмжсэн нь харанхуй материйн анхны нотолгоо болсон юм.  

Одоо бид харанхуй бодис нь гэрэл эсвэл цахилгаан соронзон хүчтэй харьцдаггүй гэдгийг мэддэг болсон. Энэ нь гэрэл болон бусад цахилгаан соронзон цацрагийг шингээдэггүй, тусгадаггүй, ялгаруулдаггүй бөгөөд үл үзэгдэх тул харанхуй гэж нэрлэдэг. Гэхдээ энэ нь таталцлын хэлбэрээр бөөгнөрөн, энгийн бодист таталцлын нөлөө үзүүлдэг бөгөөд түүний сансарт байгаа эсэхийг ерөнхийд нь дүгнэдэг. Галактикууд орчлон ертөнцийн массын энергийн 26.8% -ийг бүрдүүлдэг харанхуй материйн таталцлын нөлөөгөөр тэнцвэрт байдалд байдаг бол бид бүгдээс бүрддэг бүх барион энгийн бодисыг оруулаад бүх ажиглагдаж буй орчлон ертөнцийн ердөө 4.9% -ийг бүрдүүлдэг. Орчлон ертөнцийн массын энергийн үлдсэн 68.3% нь хар энерги юм.  

Харанхуй бодис гэж юу болох нь тодорхойгүй байна. Үндсэн тоосонцор байхгүй Стандарт загвар харанхуй бодис байхад шаардлагатай шинж чанаруудтай. Магадгүй стандарт загварт багтсан бөөмсүүдийн хамтрагч болох "супер тэгш хэмтэй тоосонцор" нь харанхуй матери үүсгэдэг. Магадгүй харанхуй материйн зэрэгцээ ертөнц байдаг. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), аксионууд эсвэл ариутгасан нейтрино нь стандарт загвараас гадна тэргүүлэх нэр дэвшигчид болох таамагласан тоосонцор юм. Гэсэн хэдий ч ийм тоосонцорыг илрүүлэх амжилтанд хараахан хүрч чадаагүй байна.  

Хэд хэдэн төсөл байдаг (жишээ нь XENON туршилт, DarkSide-20k төсөл, EURECA Rxperiment, болон RES-NOVA) одоогоор харанхуй бодисын бөөмсийг шууд илрүүлэхээр ажиллаж байна. Эдгээр нь ихэвчлэн шингэн хийн мэдрэгч эсвэл криоген детекторууд бөгөөд харанхуй бодисын хэсгүүдийн харилцан үйлчлэлийн бүдэг дохиог илрүүлэх зориулалттай. Гэсэн хэдий ч олон шинэ арга барилыг үл харгалзан ямар ч төсөл харанхуй материйн бөөмсийг шууд илрүүлж чадаагүй байна. 

Харанхуй материйн шууд бус нотолгооны хувьд Фриц Цвики, Вера Рубин нар ажиглагдаж буй энгийн материйн хурдтай харьцуулшгүй өндөр хурдтай галактикууд хэрхэн нэгдэж байгааг судалснаар харанхуй материйн таталцлын нөлөөг хайж болно. Линзний таталцлын нөлөө (гэрлийн гулзайлтын) болон сансар дахь оддын хөдөлгөөнд үзүүлэх нөлөө нь харанхуй материйн шууд бус нотолгоо болж өгдөг. Нэмж дурдахад, харанхуй материйн бөөмс орон зайд бие биетэйгээ мөргөлдөхөд үүссэн устгалын бүтээгдэхүүн (гамма-туяа, нейтрино, сансрын туяа гэх мэт) нь харанхуй бодис байгааг илтгэнэ. Хар материйн бөөмсийг устгасан бүтээгдэхүүн дээр үндэслэн харанхуй матери үүсэхийг урьдчилан таамаглаж байсан ийм нэг байршил бол манай гэр галактикийн Сүүн замын төв юм.  

Манай гэр галактикийн Сүүн зам дахь харанхуй бодисыг илрүүлэх  

Сүүн замын (MW) төвд хэт сарнисан богино долгионы төв гэрэлтэх шинж тэмдэг илэрчээ. Илүүдэл гялбаа нь WIMP-ийн харанхуй материйг устгах явцад үүссэн харьцангуй электрон ба позитроноос синхротроны ялгаралтаас үүдэлтэй гэж таамаглаж байсан тул хэдэн зуун ГеВ хүртэлх энергийн мужид тархсан γ-цацрагийн дохиог урьдчилан таамагласан. Үүний дараа Ферми-Том талбайн дуран (LAT) нь Галактикийн төвийн илүүдэл (GCE) гэж тодорхойлсон γ-туяа дохиог илрүүлсэн. Удалгүй Галактикийн төвийн илүүдэл (GCE) нь хуучин нейтрон од (миллисекунд пульсар)-аас үүдэлтэй байж болохыг ойлгов. GCE-ийн морфологи чухал байх болно гэж бодож байсан - тэгш хэмтэй бөмбөрцөг хэлбэртэй GCE нь харанхуй материйн (DM) бөөмсийг устгахаас үүдэлтэй γ-туяа ялгаралтыг илтгэнэ, харин GCE-ийн хавтгайрсан морфологи нь миллисекундын пульсараас (MSP) γ-туяа ялгаруулж байгааг илтгэнэ.  

Сүүн замын галактикийн төвийг Ферми-Том талбайн телескопоор (LAT) өргөнөөр ажиглахад хавтгайрсан асферикийг илрүүлсэн. Ердийн үед ажиглагдсан асферик чанарыг хуучин одтой (MSP) холбодог байсан ч 2025 оны 10-р сарын 16-нд хэвлэгдсэн саяхан хийсэн судалгаагаар хуучин од (MSP) болон харанхуй материйн (DM) устах загваруудын таамагласан GCE морфологи нь ялгагдахгүй гэж дүгнэсэн байна.   

Харанхуй материйн тархалтыг судлахын тулд судлаачид МВт (Сүүн зам) төст галактикуудын морфологийн загварчлал хийжээ. Галактикуудын эргэн тойронд болон галактикийн төв хэсгүүдийн эргэн тойронд харанхуй материйн цагиргууд нь анизотроп загварт төсөөлж байсан шиг ховор бөмбөрцөг хэлбэртэй байдгийг тэд олж мэдэв. Үүний оронд дүн шинжилгээ нь бүх галактикийн хар материйн нягтын хавтгайрсан проекцийг харуулсан. Энэхүү тэнхлэгт бус харанхуй материйн (DM) тархалтыг мөн орчлон ертөнцийн түүхэн дэх эхний гурван тэрбум жилийн Сүүн зам галактикийн нэгдэх түүх харуулсан. GCE-ийн ажиглагдсан морфологи нь төвийн бүсэд хавтгайрсан байдаг бөгөөд энэ нь ерөнхийдөө хуучин одны (MSP) тархалтын онцлог шинж чанартай гэж үздэг. Шинэ судалгаагаар харанхуй бодис (DM) ижил төстэй хайрцагны тархалтыг үүсгэдэг болохыг харуулсан. Тиймээс ажиглагдсан GCE-ийн харанхуй материйн (DM) устах болон миллисекундын пульсар (MSPs) таамаглал хоёулаа адилхан боломжтой юм.   

Ажиглагдсан GCE нь харанхуй матери (DM) эсвэл миллисекундын пульсар (MSPs) -аас шалтгаалсан эсэх нь Черенковын дурангийн массивын ажиглалтын төв (CTAO) болон Өмнөд өргөн талбайн гамма-цацрагийн ажиглалтын төв (SWGO) зэрэг γ-цацрагт ажиглагчид тера-гамма цацрагийн судалгаагаа дуусгахад тодорхой болно. Галактикийн төвд харанхуй матери (DM) устгах бүтээгдэхүүн болгон үүссэн гамма туяа нь ойролцоогоор 0.1 тера-электрон-вольт (TeV) маш өндөр энергитэй хэт өндөр энергитэй фотонууд байх болно. Стандарт гамма-туяа дуран нь эдгээр өндөр энергитэй фотонуудыг шууд илрүүлж чадахгүй. Тера-гамма туяа нь CTAO, SWGO зэрэг ирээдүйн γ-туяа ажиглалтын чухал зорилт байх болно.  

Энэхүү судалгаа нь сансар огторгуй дахь харанхуй бодисыг устгах бүтээгдэхүүнээр нь илрүүлэхэд ахиц дэвшил гаргасан боловч галактикийн төвд харанхуй бодис байгаа эсэх нь ирээдүйд CTAO эсвэл SWGO зэрэг хэт өндөр энергийн γ-туяа ажиглагчаар баталгаажуулах шаардлагатай болно. Харанхуй материйн шинжлэх ухаанд илүү чухал ахиц дэвшил бол DM бөөмсийг шууд илрүүлэх явдал юм.  

*** 

Ашигласан материал:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK et al. Харанхуй бодисыг илрүүлэх шинэ хандлага. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. and Rossib N. 2024. Харанхуй бодисыг шууд илрүүлэх: шүүмжлэлтэй тойм. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Instituto de Física Corpuscular. Харанхуй бодисыг хайхад: үл үзэгдэх зүйлийг илрүүлэх шинэ арга. 2025 оны 8-р сарын 22. Боломжтой https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM, et al 2025. Ферми-ЛАТ Галактикийн төв Сүүн замын галактикийн загварчлал дахь хар бодисын илүүдэл морфологи. Физик тойм захидал. 135, 161005. 2025 оны 10-р сарын 16-нд нийтлэгдсэн. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd . arXiv дээр хэвлэхээс өмнөх хувилбар. 2025 оны 8-р сарын 8-нд оруулсан. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Жонс Хопкинсийн их сургууль. Мэдээ – Сүүн зам дахь нууцлаг гэрэлтэх нь харанхуй материйн нотолгоо байж болох юм. 2025 оны 10-р сарын 16-нд нийтэлсэн https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Лейбницийн астрофизикийн хүрээлэн. Мэдээ – Сүүн зам хар материйн устгалын улмаас гамма цацрагийн илүүдэл байгааг харуулж байна. 2025 оны 10-р сарын 17-нд нийтэлсэн https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Ферми гамма-туяа сансрын дуран. хаягаар авах боломжтой https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Черенковын дурангийн массивын ажиглалтын төв (CTAO). хаягаар авах боломжтой https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Өмнөд өргөн талбайн гамма-туяа ажиглалтын төв (SWGO). хаягаар авах боломжтой https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Тарту ажиглалтын газар. Орчлон ертөнцийн харанхуй тал. хаягаар авах боломжтой https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***