Universumi tumeaine jäljed kosmoseteleskoop Fermi andmetes

Tartu Observatoorium | 03.12.2012

Juba mitukümmend aastat on teada fakt, et Universumis domineerib tumeaine, mida on viis korda rohkem kui tavalist ainet. Astronoomilistest vaatlustest on teada paljud tumeaine omadused, kuid selle päritolust ei ole füüsikutel mingit informatsiooni. Universumi tumeaine jälgi elementaarosakestefüüsika ja kosmoloogia eksperimentides on otsitud kümneid aastaid, kahjuks edutult. Elmo Tempel koostöös Martti Raidali ja Andi Hektoriga KBFIst analüüsisid kosmoseteleskoop Fermi andmeid ning leidsid sealt tõenäoliselt esimesi vihjeid tumeaine päritolu kohta.

Kosmoseteleskoop Fermi on tänapäeval kõige moodsam gammakiirguse teleskoop, mille peamine ülesanne on kaardistada kogu taevas. Teleskoop on taevast kaardistanud juba üle nelja aasta ning selle aja jooksul on kogunenud kriitiline kogus andmeid uurimaks kõrgel energial gammakiirguse spektrit. Fermi andmeid kasutades avastatigi 2012. aasta kevadel Linnutee tsentrit ümbritsevast piirkonnast üks “veider” signaal: üldiselt siledas kosmilise gammakiirguse spektris on nähtav suhteliselt terav maksimum. Sellist teravat maksimumi, mille energia on umbes 130 GeV, on tavaliste astrofüüsikaliste objektidega väga raske seletada. Samas kui eeldada, et tumeaine on osakestefüüsika päritolu, siis tumeaine annihilatsioon monokromaatseks gammakiirguseks tekitabki spektris sellise terava tipu.

Uurimuse autorid, Elmo Tempel, Martti Raidal ja Andi Hektor, näitasid esimesena, et gamma-joone signaal tuleneb üsna täpselt Galaktika keskmest ning ei ole seotud ühegi varem teadaoleva astronoomilise objektiga nagu näiteks “Fermi mull“. Lisaks Galaktika keskmele leidsid autorid samasuguse signaali lähedastest galaktikaparvedest.

Kui eeldada, et tegemist on tumeaine annihilatsiooni signaaliga, siis kõige realistlikumad osakestefüüsika mudelid ennustavad kahe lähestikku asuva joone olemasolu. Kui vaadata gamma-joone morfoloogiat lähemalt, siis on tõepoolest näha, et lisaks tugevale 130 GeV joonele on olemas natuke nõrgem 110 GeV joon. Kuna täpselt samasugune joonte dublett on nähtav nii Galaktika keskmes kui galaktikaparvedes, siis kahest sõltumatust kohast leitud täpselt samasugune jaotuse maksimum näitab, et väga suure tõenäosusega signaal pärineb tumeainest.

Kuna statistiliselt ei ole signaali tugevus veel 100% usaldusväärne, siis leidub ka neid, kes antud signaalis kahtlevad ning arvavad, et tegemist on Fermi teleskoobi süstemaatilise veaga. Samas võttes arvesse, et täpselt samasugune signaal on nähtav galaktikaparvedest ja Galaktika keskmest ning ei ole nähtav mujal, on seda väga raske süstemaatilise veaga seletada. Antud küsimus saab tõenäoliselt lahenduse järgmisel suvel kui Cherenkovi teleskoop HESS II vaatleb galaktika keset eesmärgiga antud maksimume kontrollida. Hoolimata sellest, kas antud signaal osutub tõeseks või mitte, on see juba praegu köitnud paljude teadlaste tähelepanu ning sel teemal on ilmunud juba üle saja teadusartikli.

Tumeaine päritolu küsimus on fundamentaalfüüsika kõige tähtsam küsimus. Fermi mõõtmine võib osutuda esimeseks kindlaks signaaliks tumeaine annihilatsioonidest, mis omakorda võimaldab määrata tumeaine päritolu. Kui avastatud gamma-joon osutub esimeseks tumeaine signaaliks osakestefüüsikas, siis ei ole tegu lihtsalt teadussaavutusega – tegu on inimkonna maailmavaadet muutva avastusega.

Märksõnad: galaktikad, galaktikaparved, Linnutee, tumeaine