Binarny model ciemnej materii wyjaśnia emisję promieniowania gamma z Centrum Galaktyki oraz „milczenie” galaktyk karłowatych

Nowa koncepcja teoretyczna sugeruje, że ciemna materia, stanowiąca około 85% masy wszechświata, może nie być pojedynczą cząstką, lecz układem binarnym złożonym z dwóch różnych komponentów. Hipoteza ta ma na celu rozwiązanie wieloletnich sprzeczności obserwacyjnych, które podważały jednolite modele ciemnej materii, takie jak te oparte na słabo oddziałujących masywnych cząstkach (WIMP).

Zgodnie ze standardowymi teoriami cząstki WIMP, będące jednymi z najlepiej uzasadnionych kandydatów na ciemną materię, mają oddziaływać jedynie poprzez grawitację oraz oddziaływania słabe. Jednak brak przekonujących dowodów na istnienie cząstek WIMP, w tym wyników z Wielkiego Zderzacza Hadronów, przesuwa punkt ciężkości w stronę modeli alternatywnych. Kluczowa innowacja w modelu „ciemnej materii unikającej dSph” polega na tym, że zachowanie tej substancji zdaje się zależeć od otoczenia, zmieniając się pod wpływem lokalnej gęstości i sił grawitacyjnych. Model zakłada, że do rejestracji sygnałów pośrednich, takich jak emisja promieniowania gamma, niezbędna jest jednoczesna obecność i interakcja obu komponentów ciemnej materii, co prowadzi do ich anihilacji.

Badacze, wśród których znaleźli się Asher Berlin, Joshua Foster, Dan Hooper i Gordan Krnjaic, opracowali tę teorię przy wsparciu instytucji takich jak Fermilab. Ich praca zatytułowana „dSph-phobic dark matter” została opublikowana w czasopiśmie „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics” (JCAP) 9 kwietnia 2026 roku. Ta binarna struktura bezpośrednio wyjaśnia zagadkę nadmiaru promieniowania gamma w Centrum Galaktyki (GCE) – niewytłumaczalnego skoku emisji zarejestrowanego przez teleskop kosmiczny Fermi. Ów nadmiar, będący skupiskiem fotonów w sferycznym obszarze wokół dysku Drogi Mlecznej, wcześniej można było wytłumaczyć jedynie anihilacją ciemnej materii, jednak jego brak w karłowatych galaktykach sferoidalnych (dSph) – mimo ich wysokiej gęstości ciemnej materii – stanowił poważną sprzeczność.

Galaktyki karłowate uważa się za idealne „laboratoria” do testowania tej hipotezy, ponieważ są ubogie w gaz i młode gwiazdy, co minimalizuje szum tła pochodzący od pulsarów czy czarnych dziur. Model „ciemnej materii unikającej dSph” rozwiązuje tę rozbieżność, sugerując, że w warunkach wysokiej gęstości i silnej grawitacji Centrum Galaktyki dochodzi do wspólnej anihilacji obu komponentów, co generuje obserwowane promieniowanie gamma. Jednocześnie łagodniejszy potencjał grawitacyjny galaktyk karłowatych może uniemożliwiać osiągnięcie energii kinetycznej niezbędnej do koanihilacji lżejszych cząstek z cięższymi, tym samym tłumiąc wykrywalny sygnał. Gordan Krnjaic z Fermilabu zauważa, że gdyby teoria o jednolitym rodzaju ciemnej materii była prawdziwa, powinniśmy obserwować podobne emisje również w innych regionach o wysokiej koncentracji tej substancji.

Potwierdzenie owej zależności środowiskowej, czyli wpływu lokalnych warunków, zależy od wyników nadchodzących przeglądów nieba. Misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) jest pozycjonowana jako kluczowy test dla tej teorii, a istotne dane kosmologiczne spodziewane są do października 2026 roku. Teleskop Euclid, wystrzelony w lipcu 2023 roku, wykorzystuje metodę soczewkowania grawitacyjnego do stworzenia trójwymiarowej mapy rozmieszczenia ciemnej materii, mierząc zniekształcenia światła z miliardów galaktyk na przestrzeni 10 miliardów lat historii kosmosu. Do końca swojej sześcioletniej misji Euclid ma uwiecznić ponad 1,5 miliarda galaktyk, co pozwoli albo potwierdzić model binarny, albo skłonić się ku alternatywom, takim jak sygnały od pulsarów milisekundowych. Naukowcy spodziewają się, że przyszłe dane z misji Euclid pomogą wyjaśnić, czy systemy karłowate faktycznie emitują promieniowanie gamma, co stanowi kluczowy element weryfikacji tej hipotezy.