Телескоп "Ферми" возможно позволил впервые "увидеть" темную материю

Японский астрофизик считает, что гамма-излучение чрезвычайно высокой энергии, обнаруженное возле центра нашей галактики с помощью «Ферми», могло возникнуть из-за аннигиляции частиц темной материи. Об этом рассказывают в Токийском университете. В начале 1930-х годов швейцарский астроном Фриц Цвикки наблюдал, как галактики в космосе движутся быстрее, чем это позволяла их масса, что побудило его сделать вывод о наличии какой-то невидимой структуры — темной материи — которая удерживает галактики вместе. Спустя почти 100 лет космический гамма-телескоп NASA «Ферми», возможно, предоставил прямые доказательства ее существования, позволив впервые «увидеть» невидимую материю. До сих пор ученые могли только косвенно наблюдать темную материю через ее влияние на наблюдаемую материю, например, через ее способность генерировать достаточную гравитационную силу, чтобы удерживать галактики вместе. По мнению астрофизиков, темную материю невозможно наблюдать непосредственно по той причине, что частицы, из которых она состоит, не взаимодействуют с электромагнитной силой, то есть темная материя не поглощает, не отражает и не излучает свет.

Карта интенсивности гамма-излучения, исключающая компоненты, кроме гало, и охватывающая примерно 100 градусов в направлении центра Млечного Пути. Горизонтальная серая полоса в центральной области соответствует области галактической плоскости, которая была исключена из анализа, чтобы избежать сильного астрофизического излучения. ©2025 Tomonori Totani, The University of Tokyo

Существует множество теорий, но многие исследователи выдвигают гипотезу, что темная материя состоит из так называемых «массивных слабо взаимодействующих частиц» (WIMP). Они тяжелее протонов, но очень мало взаимодействуют с другой материей. Несмотря на недостаток взаимодействия, предполагается, что при столкновении двух WIMP они аннигилируют и высвобождают другие частицы, включая фотоны гамма-излучения.

В поисках этих конкретных гамма-лучей исследователи на протяжении многих лет проводили астрономические наблюдения в регионах, где может быть сосредоточена темная материя, таких как центр Млечного Пути. Используя последние данные обсерватории «Ферми», профессор Томонори Тотани из кафедры астрономии Токийского университета считает, что наконец обнаружил конкретные гамма-лучи, предсказанные аннигиляцией теоретических частиц темной материи.

Исследование Тотани опубликовано в журнале «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics».

«Мы обнаружили гамма-лучи с энергией фотонов 20 гигаэлектронвольт (или 20 миллиардов электронвольт, что является чрезвычайно большим количеством энергии), которые распространяются в виде галообразной структуры в направлении центра галактики Млечный Путь. Компонент гамма-излучения точно соответствует форме, ожидаемой от гало темной материи», — сказал Тотани.

Наблюдаемый энергетический спектр, или диапазон интенсивности гамма-излучения, соответствует излучению, предсказанному в результате аннигиляции гипотетических WIMP, масса которых примерно в 500 раз превышает массу протона. Частота аннигиляции WIMP, оцененная на основе измеренной интенсивности гамма-лучей, также находится в пределах теоретических прогнозов.

Важно, как отмечают в Токийском университете, эти измерения гамма-лучей нельзя легко объяснить другими, более распространенными астрономическими явлениями или гамма-излучениями. Поэтому Тотани считает эти данные весомым доказательством гамма-излучения темной материей, которую искали в течение многих лет.

«Если это верно, то, насколько мне известно, это будет первый случай, когда человечество «увидит» темную материю. И оказывается, что темная материя — это новая частица, которая не входит в текущую стандартную модель физики частиц. Это означает значительный прогресс в астрономии и физике», — отметил Тотани.

Хотя Тотани уверен, что его измерения гамма-излучения обнаруживают частицы темной материи, его результаты должны быть проверены независимым анализом других исследователей. Даже после подтверждения ученые захотят получить дополнительные доказательства того, что галообразное излучение действительно является результатом аннигиляции темной материи, а не происходит от других астрономических явлений.

Дополнительные доказательства столкновений WIMP в других местах, где может наблюдаться высокая концентрация темной материи, подкрепили бы эти предварительные результаты. Например, обнаружение гамма-излучения такой же энергии в карликовых галактиках, как в гало Млечного Пути, подтвердило бы анализ Тотани.

«Это можно будет сделать после накопления большего количества данных, и если это произойдет, то это предоставит еще более убедительные доказательства того, что гамма-лучи происходят от темной материи», — сказал Тотани.

Ледяные спутники, такие как Мимас, могут скрывать кипящие океаны

Внутри небольших ледяных спутников вода может достигать «тройной точки», вызывая кипение, что влияет на особенности их поверхности. Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Дэвисе. Внешние планеты Солнечной системы окружены ледяными спутниками. Некоторые из них, такие как спутник Сатурна Энцелад, известны тем, что между ледяной оболочкой и каменистым ядром они имеют океаны жидкой воды и могут быть лучшими местами в нашей планетной системе для поиска внеземной жизни. Новое исследование, опубликованное 24 ноября в журнале Nature Astronomy, проливает свет на то, что может происходить под поверхностью этих миров, и дает представление о том, как могли сформироваться их разнообразные геологические особенности. «Не о всех этих спутниках известно, что они имеют океаны, но мы знаем, что некоторые из них имеют», — сказал Макс Рудольф, доцент кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Дэвисе и главный автор исследования. «Нас интересуют процессы, которые формируют их эволюцию на протяжении миллионов лет, и это позволяет нам думать о том, каким будет поверхностный вид океанического мира».

От гор до землетрясений — геология поверхности Земли определяется движением и плавлением горных пород в глубинах планеты. На ледяных спутниках геология определяется действием воды и льда.

Эти миры нагреваются приливными силами от планеты, вокруг которой они вращаются. Спутники, вращаясь вокруг планеты, могут взаимодействовать, что приводит к периодам более высокого и более низкого нагрева. Более высокий нагрев может растопить и истончить ледяной слой; когда нагрев уменьшается, лед становится толще.

Рудольф и его коллеги ранее исследовали, что происходит, когда ледяная оболочка становится толще. Они обнаружили, что, поскольку лед имеет больший объем, чем жидкая вода, замерзание оказывает давление на ледяную оболочку, что может привести к появлению таких особенностей, как «тигровые полосы» Энцелада.

Но что происходит, когда идет обратное и ледяная оболочка тает снизу? Исследователи пришли к выводу, что это может вызвать кипение океана.

Это происходит потому, что когда лед тает и превращается в менее плотную жидкую воду, давление падает. Рудольф и его коллеги подсчитали, что по крайней мере на самых маленьких ледяных спутниках, таких как Мимас и Энцелад Сатурна или Миранда, спутник Урана, давление может упасть настолько, что достигнет тройной точки — состояния вещества, при котором его твердая, жидкая и газообразная формы находятся в равновесии, то есть лед, жидкая вода и водяной пар могут сосуществовать.

Снимки Миранды, сделанные космическим зондом «Вояджер-2», показывают четкие участки хребтов и скал, которые называются коронами. Наличие этих особенностей может объяснить кипящий океан.

Мимас имеет диаметр 400 километров и покрыт кратерами, включая очень большой кратер, благодаря которому он получил прозвище «Звезда смерти». По словам Рудольфа, он кажется геологически мертвым, но колебания в его движении указывают на наличие океана. Поскольку не ожидается, что ледяная оболочка Мимаса разорвется в результате ее истончения, наличие океана можно совместить с геологически мертвой поверхностью.

Важен размер этих спутников. На более крупных ледяных спутниках, таких как Титания (другой спутник Урана), как подсчитала команда, падение давления от таяния льда привело бы к растрескиванию ледяной оболочки до достижения тройной точки воды. Авторы считают, что геология Титании могла быть результатом периода истончения ледяной оболочки, за которым последовало ее утолщение.

Так же как геология Земли помогает нам понять, почему наша планета выглядит так, как она выглядит после миллиардов лет изменений, понимание геологических процессов на этих спутниках может помочь нам понять, почему они имеют такую форму.

Соавторами исследования являются ученые из Калифорнийского университета в Беркли, Юго-западного исследовательского института (Боулдер) и Института планетных наук (Тусон). Работа была частично поддержана NASA.

Обнаружены «свежие» органические вещества из океана Энцелада, которые могут указывать на химическую или биохимическую активность

Исследователи тщательно изучили информацию, собранную из ледяных зерен, которые были получены во время близкого и сверхбыстрого пролета «Кассини» сквозь выброс из гейзера ледяного спутника Сатурна. Об этом рассказывают в NASA. Исследуемые ледяные частицы были собраны всего в 21 километре от поверхности спутника и стали первым случаем, когда ученые наблюдали такое разнообразие органических веществ в свежих частицах, выброшенных из подземных вод Энцелада. Опубликованные в журнале Nature Astronomy, эти результаты свидетельствуют о важном шаге в направлении подтверждения активной органической химии под поверхностью спутника. Это тот вид химической активности, который может поддерживать соединения, важные для биологических процессов и необходимые для жизни на Земле. Помимо увеличения разнообразия обнаруженных органических веществ, это исследование добавило новый слой к предыдущим результатам путем анализа частиц, собранных космическим аппаратом «Кассини» во время пролета непосредственно сквозь выброс из гейзера — это почти то же самое, что погрузиться непосредственно в океан спутника.

«Ранее мы обнаруживали органические вещества в кристаллах льда, которые были многолетними и, вероятно, претерпели изменения под воздействием интенсивной радиационной среды, окружавшей их», — сказал Нозаир Хаваджа из Свободного университета Берлина, главный автор исследования. «Эти новые органические соединения были всего нескольких минут от рождения, они были обнаружены во льду, который был свежим из океана под поверхностью Энцелада».

Ученые знали из предыдущего анализа данных «Кассини», что органические соединения, содержащие азот и кислород, присутствовали в частицах из кольца Е Сатурна, слабого, широкого внешнего пояса вокруг планеты, питаемого ледяным материалом, который расходится веером от гейзеров Энцелада. Но в новом исследовании были проанализированы ледяные зерна из самого гейзера спутника — другими словами, зерна, найденные ближе всего к их подповерхностному происхождению.

«Эти молекулы, которые мы нашли в свежевыброшенном материале, доказывают, что сложные органические молекулы, обнаруженные «Кассини» в кольце Е Сатурна, являются не просто продуктом длительного воздействия космоса, а легко доступны в океане Энцелада», — сказал соавтор исследования Фрэнк Постберг, также из Свободного университета Берлина.

Данные были собраны и отправлены на Землю еще в 2008 году, когда частицы льда попали на прибор «Космический пылеанализатор» «Кассини». Помимо того, что эти ледяные зерна были непосредственно взяты из гейзера, они имели еще одно преимущество: они были разбиты на мелкие частицы, когда попали на прибор во время быстрого пролета космического аппарата со скоростью 18 километров в секунду относительно спутника.

Энергия удара испарила ледяные зерна и ионизировала значительную их часть. Эти ионы были обследованы масс-спектрометром прибора на их химический состав.

Авторы исследования смогли проанализировать мельчайшие фрагменты — меньше тысячной доли миллиметра, даже меньше вируса гриппа — и обнаружить органические соединения, которых они ранее не видели в частицах из гейзеров.

Среди новообнаруженных были соединения из семейств алифатических и циклических эфиров и эфиров, некоторые из которых имели двойные связи в молекулярной структуре. Вместе с подтвержденными ароматическими соединениями, содержащими азот и кислород, эти соединения могут образовывать строительные блоки для поддержания химических реакций и процессов, которые могли бы привести к более сложной органической химии — такой, которая интересует астробиологию и сужает фокус поиска жизни в Солнечной системе.

После пролета через облако от гейзера космический аппарат, управляемый Лабораторией реактивного движения NASA в Южной Калифорнии, исследовал сложную систему Сатурна еще почти десять лет.

Ученые нашли на Марсе карстовые пещеры

Марс – ближайшая к Земле планета, и поиски жизни на ней начались еще до запуска первого спутника. Теперь мы знаем, что Марс представляет из себя сухую пустыню, однако в далеком прошлом условия на нем были гораздо более благоприятными. И если там когда-либо существовала жизнь, то, вероятно, она скрывалась не на поверхности, а в пещерах, защищенных от радиации, перепадов температур и пылевых бурь. Теперь ученые впервые нашли признаки того, что такие убежища могли быть сформированы не вулканической активностью, как считалось раньше, а водой. До сих пор предполагалось, что все известные марсианские пещеры имеют вулканическое происхождение и по своей природе являются лавовыми трубками, т. е. тоннелями, выжженными потоками лавы. Однако новые данные указывают на совершенно иной тип подземных полостей. Как и на Земле, такие пещеры могли возникнуть, когда вода просачивалась сквозь трещины в карбонатных и сульфатных породах, постепенно растворяя их и создавая пустоты. 

Исследователи из Университета Шэньчжэня под руководством Чэнью Дина сообщили об обнаружении восьми необычных провалов – «световых колодцев» в регионе Долина Гебрус на северо-западе Марса. Анализ данных позволил геологам предположить, что эти провалы являются входами в карстовые пещеры, которые образовались в древности при растворении горных пород в воде. Работа ученых была опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Вероятные карстовые пещеры были выявлены на снимках исследовательских космических аппаратов, работающих на орбите Марса. Они выглядят как округлые впадины и отличаются от ударных кратеров тем, что не имеют возвышенных краев, а вокруг них отсутствует выброшенный обломочный материал. По форме и структуре эти углубления напоминают участки, где поверхность обрушилась вследствие вымывания подземных пород.

Используя данные инфракрасного спектрометра TES на борту космического аппарата Mars Global Surveyor, ученые обнаружили, что окружающие породы действительно богаты водорастворимыми породами – карбонатами и сульфатами. На основе снимков высокого разрешения команда ученых построила трехмерные модели впадин, подтверждающие, что их происхождение связано с водной эрозией, а не с вулканизмом или тектоникой.

Эти пещеры могут оказаться важными целями для исследования будущими марсианскими миссиями. Даже если внутри не окажется признаков жизни, они могут стать удобным естественным убежищем для людей, где они смогут укрыться от радиации и экстремальных условий поверхности.

Открытие карстовых пещер меняет подход к поиску следов жизни на Марсе: теперь исследователи могут сосредоточиться не только на древних руслах рек и озер, но и на подземных полостях.

Астрономы впервые зафиксировали взрывную вспышку на другой звезде

Впервые подтвержден взрывной выброс вещества в космос другой звездой, достаточно мощный, чтобы снести атмосферу любой несчастной планеты, оказавшейся на его пути. Об этом рассказывают в Европейском космическом агентстве. Взрыв был корональным выбросом массы (КВМ), извержениями, которые мы часто видим от Солнца. Во время КВМ огромные количества вещества выбрасываются из нашей звезды, заполняя окружающее пространство. Эти драматические выбросы формируют и определяют космическую погоду, такую как зрелищные полярные сияния, которые мы видим на Земле, и даже могут разрушать атмосферы близлежащих планет. Но хотя КВМ является обычным явлением на Солнце, до сих пор мы не видели ни одного убедительного доказательства их существования на другой звезде. «Астрономы уже десятилетиями стремились обнаружить КВМ на другой звезде», — говорит Джо Каллингем из Нидерландского института радиоастрономии (ASTRON), автор нового исследования, опубликованного в журнале Nature. «Предыдущие выводы давали основания предполагать их существование или намекали на их присутствие, но фактически не подтверждали, что материал действительно вырвался в космос. Теперь нам впервые удалось это сделать».

Когда КВМ путешествует через слои звезды к межпланетному пространству, он создает ударную волну и сопутствующую вспышку радиоволн. Этот короткий, интенсивный радиосигнал был зафиксирован Джо и его коллегами, и оказалось, что он исходит от звезды, находящейся на расстоянии около 130 световых лет от нас.

«Такой радиосигнал просто не существовал бы, если бы материал полностью не покинул пузырь мощного магнетизма звезды», — добавляет Джо. «Другими словами: он вызван КВМ».

Звезда, выбрасывающая материю, является красным карликом — типом звезды, которая намного тусклее, холоднее и меньше Солнца. Она совсем не похожа на наше светило: ее масса примерно в два раза меньше, она вращается в 20 раз быстрее и имеет магнитное поле, которое в 300 раз сильнее. Большинство планет, о существовании которых известно в Млечном Пути, вращаются вокруг такого типа звезд.

Радиосигнал был обнаружен с помощью радиотелескопа «Низкочастотный массив» (LOFAR) благодаря новым методам обработки данных, разработанным соавторами из Парижской обсерватории-PSL. Затем команда использовала космическую обсерваторию XMM-Newton Европейского космического агентства, чтобы определить температуру, вращение и яркость звезды в рентгеновском свете. Это было необходимо для интерпретации радиосигнала и выяснения, что на самом деле происходит.

«Нам нужны были чувствительность и частота LOFAR, чтобы обнаружить радиоволны», — говорит соавтор Дэвид Конийн, аспирант, работающий с Джо в ASTRON. «А без XMM-Newton мы бы не смогли определить движение КВМ или разместить его в звездном контексте, что было крайне важно для подтверждения наших открытий. Одного телескопа было бы недостаточно — нам нужны были оба».

Исследователи определили, что КВМ движется с чрезвычайно высокой скоростью 2400 км в секунду, которая наблюдается только в 1 из 2000 КВМ, происходящих на Солнце. Выброс был настолько быстрым и плотным, что мог полностью уничтожить атмосферу любой планеты, вращающейся близко к звезде.

Открытие того, что КВМ способны сдирать планетарные атмосферы, полезно для нашего поиска жизни вокруг других звезд. Пригодность планеты для жизни, какой мы ее знаем, определяется ее расстоянием от материнской звезды – находится ли она в «зоне обитаемости», то есть в области, где на поверхности планет с соответствующей атмосферой может существовать жидкая вода. Это сценарий «Золотоволоски»: слишком близко к звезде – слишком жарко, слишком далеко – слишком холодно, а посередине – как раз подходит.

Но что, если эта звезда особенно активна и регулярно выбрасывает опасные извержения вещества, вызывая сильные бури? Планета, которая регулярно подвергается бомбардировке мощными корональными выбросами массы, может полностью потерять свою атмосферу, оставив после себя бесплодный камень – непригодный для жизни мир, несмотря на то, что его орбита «как раз подходит».

«Эта работа открывает новые возможности для наблюдений, изучения и понимания извержений и космической погоды вокруг других звезд», — добавляет Хенрик Эклунд, научный сотрудник ЕКА, работающий в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC) в Нордвейке в Нидерландах.

«Мы больше не ограничиваемся экстраполяцией нашего понимания солнечных КВМ на другие звезды. Похоже, что интенсивная космическая погода может быть еще более экстремальной вокруг меньших звезд — основных носителей потенциально пригодных для жизни экзопланет. Это имеет важное значение для того, как эти планеты сохраняют свою атмосферу и, возможно, остаются пригодными для жизни с течением времени».

Между тем XMM-Newton является ведущим исследователем горячей и экстремальной Вселенной. Запущенный в 1999 году, космический телескоп наблюдал за ядрами галактик, изучал звезды, чтобы понять, как они эволюционируют, исследовал окрестности черных дыр и обнаруживал интенсивные вспышки энергичного излучения от удаленных звезд и галактик.

«Сейчас XMM-Newton помогает нам выяснить, как КВМ варьируются в зависимости от звезды, что интересно не только для нашего исследования звезд и Солнца, но и для поиска пригодных для жизни миров вокруг других звезд», — говорит научный сотрудник проекта XMM-Newton Эрик Кулкерс. «Это также демонстрирует огромную силу сотрудничества, которая лежит в основе всех успешных научных исследований. Это открытие стало результатом настоящей командной работы и решило вопрос, который десятилетиями занимал ученых, — поиск КВМ за пределами Солнца».

Статья «Радиоволновая вспышка от звездного коронального выброса массы» (Callingham et al.) была опубликована 12 ноября в журнале Nature.