Гамма-випромінювання з центру галактики: нові дані про темну матерію

У 2011 році дослідники Дена Хупера та Ліси Гуденуф з Fermilab опублікували статтю, яка привернула увагу наукової спільноти, оголосивши про виявлення загадкового надлишку гамма-променів з центру нашої галактики. Цей феномен міг бути інтерпретований як сигнал від аннігіляції екзотичних частинок темної матерії. Проте, згодом з'явилася нова теорія, що пояснює цей гамма-випромінювання наявністю сотень мілісекундних пульсарів, які також випромінюють гамма-фотонони. Обидва сценарії активно обговорювалися, з тенденцією до підтримки гіпотези пульсарів, хоча теорія темної матерії не була остаточно відкинута. Нещодавно група дослідників вирішила переглянути дані, зосередившись на енергії окремих гамма-фотононів, і дійшла висновку, що гіпотеза темної матерії виглядає більш переконливою, ніж теорія пульсарів. Результати їхнього дослідження опубліковані в престижному журналі Physical Review Letters.

Однією з можливих шляхів для розуміння природи надлишку гамма-випромінювання з центру галактики (GCE) є використання характеристики точкових джерел: здатності виробляти кілька фотононів з точно однієї позиції. Піксельна карта кількості фотононів, передбачена аннігіляцією темної матерії, слідує розподілу Пуассона. Хоча вона контролюється підлягаючим і невизначеним розподілом темної матерії в нашій галактиці, детектор спостерігає відносно гладкий просторовий розподіл, з флуктуаціями Пуассона. Точкові джерела, через їхню здатність виробляти кілька фотононів з однієї позиції, вносять додаткову варіацію від пікселя до пікселя в карті. Навіть для популяції джерел, занадто слабких для індивідуального виявлення, вони можуть колективно викликати спостережувану зміну в карті фотононів у порівнянні з передбаченим пуассонівським розподілом.

Ця інтуїція може бути закодована в аналітичну ймовірність для розрізнення сценаріїв — як це було зроблено для функції ймовірності в точці, налаштування непуассонівської (NPTF) та складного пуассонівського генератора. Це стало основою для ствердження, зробленого Лі та іншими у 2016 році, що GCE має походження від точкових джерел, зокрема пульсарів. Проте, з 2019 року спірність цих методів зросла. Безсумнівно, що обчислювальна здійсненність вимагала оцінки ймовірності з двома важливими наближеннями: по-перше, кореляції між пікселями були проігноровані, а по-друге, енергії фотононів були відкинуті.

Протягом останніх п’яти років успішно використовувалися підходи машинного навчання, щоб подолати перше наближення. Зокрема, аналіз, заснований на нейронних мережах, дійшов висновку, що, хоча GCE може мати походження від точкових джерел, ці джерела повинні бути значно слабшими, ніж було виявлено в попередніх дослідженнях.

Флоріан Ліст з Віденського університету та його колеги знову звернулися до методології нейронних мереж, цього разу для демонстрації того, що вона також може усунути друге наближення та надати перший аналіз природи точкових джерел GCE залежно від енергії.

Концептуально, це є важливим кроком у дослідженнях GCE. Відомо, що GCE має спектр, який відрізняється від домінуючих фонових випромінювань. Інформація про енергію надає потужний важіль, за допомогою якого методи можуть розплутати його природу, виявляючи помилки в моделюванні фону. Завдяки своїй методиці, Ліст та його колеги виявили спектр надлишку, який подібний до результатів попередніх досліджень, але з популяцією джерел, що є значно менш яскравими, і середнє значення яких сумісне з чисто пуассонівським випромінюванням, як це очікувалося б для походження, пов'язаного з темною матерією.

Це досягнення є значним, оскільки інформація про енергію призводить до того, що припущені точкові джерела є значно менш яскравими, що вказує на те, що надлишок з центру галактики або дійсно є розсіяним за природою, або складається з надзвичайно великої кількості точкових джерел. Кількісно, для найкращої моделі фону Ліста та його колег, якщо надлишок зумовлений точковими джерелами, середнє значення кількості пульсарів становить близько 100 000, а в будь-якому випадку більше 35 000 з рівнем довіри 90 %. У будь-якому випадку, це було б населення в кілька порядків величини більше, ніж кілька сотень пульсарів, які були визнані в попередніх аналізах точкових джерел центру галактики.

Дослідники зазначають, що варіації, дозволені систематичними помилками фону, можуть зменшити необхідну кількість джерел приблизно в 10 разів. Проте, це все ще значно перевищує кілька сотень. Для них це залишається основною систематичною невизначеністю, яка заслуговує на більш детальне вивчення. Окрім оновлених розподілів, їхня нейронна мережа може бути навчена на лінійних комбінаціях різних моделей фону, включати адаптивні методи налаштування шаблонів або навіть моделі, зважені поліномами чи гармоніками. Це відкриває цікаві можливості для майбутніх досліджень у цій надзвичайно важливій та захоплюючій темі.

Можна побачити, що, незважаючи на складність проблеми, прогрес все ще можливий, і машинне навчання виявляється потужним інструментом для подолання старих обмежень. Ліст та його колеги здійснили першу одночасну інференцію спектру GCE та розподілу кількості джерел, виявивши, що включення енергії зміщує розподіл джерел до такої міри, що його неможливо відрізнити від пуассонівського випромінювання, яке передбачає гіпотеза темної матерії. Таким чином, вони послаблюють один з ключових аргументів на користь гіпотези пульсарів.

У майбутньому кілька прямих розширень цього дослідження повинні бути вивчені. Метод, наприклад, може бути розширений на ширший діапазон енергій, зокрема в бік низьких енергій, де унікальний спектр GCE може проявитися ясніше. Більш широко, ймовірно, що підхід, заснований на нейронних мережах, хоча й ефективний, ще не є оптимальним використанням машинного навчання для цієї проблеми. Дослідження того, як ці методи можуть бути ще більше вдосконалені, є важливим кроком у майбутньому, особливо для визначення, чи було відкриття темної матерії вже зроблено у 2011 році завдяки виявленню надлишку гамма-променів у центрі галактики.