Temna snov v središču naše domače galaksije 

Fermijev teleskop je v središču naše domače galaksije jasno opazoval presežek γ-žarkov, ki se je zdel nesferičen in sploščen. Ta presežek γ-žarkov, imenovan presežek galaktičnega središča (GCE), je možen znak temne snovi, ki nastane kot produkt samoanihilacije šibko interagirajočih masivnih delcev (WIMP), kandidata za delce temne snovi. Vendar pa je lahko presežek γ-žarkov, opažen v galaktičnem središču, posledica tudi starih milisekundnih pulsarjev (MSP). Doslej je veljalo prepričanje, da je morfologija GCE zaradi temne snovi (DM) sferična. Nedavna simulacijska študija je pokazala, da je morfologija gama-žarkov zaradi DM lahko bistveno nesferična in sploščena. To pomeni, da sta za opazovani GCE enako možni tako anihilacija temne snovi (DM) kot milisekundni pulsarjev (MSP). Gama žarki, ki nastanejo pri anihilaciji temne snovi (DM), bi imeli izjemno visoko energijsko raven približno 0.1 teraelektron-volta (TeV). Standardni gama teleskopi ne morejo neposredno zaznati teh visokoenergijskih fotonov. Zato bi bila potrditev modela temne snovi (DM) galaktičnega presežka središča (GCE) mogoča po zaključku študij s strani observatorijev za tera γ-žarke, kot sta observatorij Čerenkov Teleskop Array (CTAO) in Južni observatorij za široko polje gama žarkov (SWGO).

Zgodba o temni snovi se je začela leta 1933, ko je Fritz Zwicky opazil, da se hitro premikajoče galaksije v kopici Coma ne morejo držati skupaj in ostati stabilne brez prisotnosti dodatne snovi, ki je nekako nevidna, vendar ima zadosten gravitacijski učinek, da prepreči razpad galaksij. Za takšno nevidno snov je skoval izraz "temna snov". V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je Vera Rubin pomembno prispevala k našemu razumevanju temne snovi. Opazila je, da se zvezde na zunanjih robovih Andromede in drugih galaksij vrtijo s hitrostjo, ki je enaka hitrosti zvezd proti središču. Glede na dano vsoto vse opazovane snovi bi se morala galaksija razleteti, kar bi zahtevalo prisotnost dodatne nevidne snovi, ki drži galaksije skupaj in povzroča njihovo vrtenje z velikimi hitrostmi. Njene meritve rotacijskih krivulj galaksije Andromeda so zagotovile najzgodnejše dokaze o temni snovi.  

Zdaj vemo, da temna snov ne interagira s svetlobo ali elektromagnetno silo. Ne absorbira, ne odbija ali oddaja svetlobe ali katerega koli drugega elektromagnetnega sevanja in je nevidna, zato jo imenujemo temna. Vendar se gravitacijsko združuje in ima gravitacijski učinek na navadno snov, zato se na splošno sklepa o njeni prisotnosti v vesolju. Galaksije drži skupaj v ravnovesju gravitacijski učinek temne snovi, ki predstavlja kar 26.8 % masne energije vesolja, medtem ko celotno opazovano vesolje, vključno z vso barionsko navadno snovjo, iz katere smo vsi sestavljeni, predstavlja le 4.9 % vesolja. Preostalih 68.3 % masne energije vesolja je temna energija.  

Ni znano, kaj temna snov v resnici je. V njej ni temeljnih delcev. Standardni model imajo lastnosti, ki so potrebne za temno snov. Morda hipotetični "supersimetrični delci", ki so partnerji delcev v Standardnem modelu, tvorijo temno snov. Morda obstaja vzporedni svet temne snovi. WIMP-i (šibko interagirajoči masivni delci), aksioni ali sterilni nevtrini so hipotetični delci, ki presegajo Standardni model in so vodilni kandidati. Vendar pa pri odkrivanju takšnih delcev še ni bilo doseženega uspeha.  

Obstaja več projektov (npr. Eksperiment s ksenonom, Projekt DarkSide-20k, EURECA Rxperiment, in RES-NOVA) trenutno potekajo za neposredno zaznavanje delcev temne snovi. To so večinoma detektorji tekočih žlahtnih plinov ali kriogeni detektorji, ki so zasnovani za zaznavanje šibkih signalov iz interakcij delcev temne snovi. Vendar pa kljub številnim novim pristopom še noben projekt ni uspel neposredno zaznati nobenega delca temne snovi. 

Za posredne dokaze o obstoju temne snovi lahko iščemo gravitacijske učinke temne snovi, kot sta to storila Fritz Zwicky in Vera Rubin, ki sta odkrila temno snov s preučevanjem, kako se galaksije držijo skupaj kljub nesorazmerno visokim hitrostim za opazovano običajno snov. Gravitacijski učinki lečenja (prekrivljanja svetlobe) in učinki na gibanje zvezd v vesolju lahko prav tako posredno dokažejo prisotnost temne snovi. Poleg tega lahko anihilacijski produkti (kot so gama žarki, nevtrini in kozmični žarki), ki nastanejo, ko delci temne snovi trčijo med seboj v vesolju, prav tako kažejo na prisotnost temne snovi. Ena takšnih lokacij, kjer je bila temna snov napovedana na podlagi anihilacijskih produktov delcev temne snovi, je središče naše domače galaksije Mlečna cesta.  

Odkrivanje temne snovi v središču naše domače galaksije Mlečna cesta  

V središču Rimske ceste (MW) so se pojavili znaki prekomernega difuznega mikrovalovnega centralnega sija. Predlagano je bilo, da je prekomerni sij posledica sinhrotronske emisije relativističnih elektronov in pozitronov, ki nastanejo pri anihilaciji temne snovi WIMP, zato je bil napovedan razširjen difuzni signal γ-žarkov v energijskem območju do nekaj sto GeV. Kasneje je Fermijev teleskop velikih površin (LAT) zaznal signal γ-žarkov, ki je bil identificiran kot presežek galaktičnega središča (GCE). Kmalu so ugotovili, da bi lahko presežek galaktičnega središča (GCE) povzročile tudi stare nevtronske zvezde (milisekundni pulsarji). Menili so, da bi bila morfologija GCE pomembna – simetričen sferično oblikovan GCE bi kazal na emisijo γ-žarkov zaradi anihilacije delcev temne snovi (DM), medtem ko bi sploščena morfologija GCE nakazovala na emisijo γ-žarkov iz milisekundnih pulsarjev (MSP).  

Obsežno opazovanje galaktičnega središča Rimske ceste s teleskopom Fermi-Large Area Telescope (LAT) je razkrilo sploščeno asferičnost. Običajno bi opaženo asferičnost povezali s starimi zvezdami (MSP), vendar je nedavna študija, objavljena 16. oktobra 2025, ugotovila, da so morfologije GCE, ki jih napovedujejo tako modeli anihilacije starih zvezd (MSP) kot tudi modeli anihilacije temne snovi (DM), nerazločljive.   

Za preučevanje porazdelitve temne snovi so raziskovalci izvedli simulacijo morfologije galaksij, podobnih MW (Milky Way). Ugotovili so, da so haloji temne snovi okoli galaksij in okoli osrednjih območij galaksij le redko sferični, kot je predpostavljeno v anizotropnem modelu. Namesto tega je analiza pokazala sploščeno projekcijo gostote temne snovi za vse galaksije. To neosno simetrično porazdelitev temne snovi (DM) je pokazala tudi zgodovina združevanja galaksije Rimska cesta v prvih treh milijardah let v zgodovini vesolja. Opazovana morfologija GCE je sploščena nad osrednjim območjem, kar na splošno velja za značilno za porazdelitev starih zvezd (MSP). Nova študija je pokazala, da temna snov (DM) ustvarja podobno škatlasto porazdelitev. Tako sta hipotezi o anihilaciji temne snovi (DM) kot o milisekundnih pulsarjev (MSP) za opazovano GCE enako možni.   

Ali je opaženi GCE posledica temne snovi (DM) ali milisekundnih pulsarjev (MSP), bo znano, ko bodo observatoriji za γ-žarke, kot sta Čerenkov teleskopski observatorij (CTAO) in Južni observatorij za gama-žarke širokega polja (SWGO), v prihodnosti zaključili svoje študije tera-gama žarkov. Gama žarki, ki nastanejo kot anihilacijski produkt temne snovi (DM) v galaktičnem središču, bi bili fotoni ultra visoke energije z izjemno visoko energijsko ravnjo približno 0.1 teraelektronvolta (TeV). Standardni teleskopi za gama žarke teh visokoenergijskih fotonov ne morejo neposredno zaznati. Tera-gama žarki bodo pomembna tarča za prihodnje observatorije za γ-žarke, kot sta CTAO in SWGO.  

Ta študija je korak naprej pri odkrivanju temne snovi v vesolju prek njenih anihilacijskih produktov, vendar bi prisotnost temne snovi v galaktičnem središču v prihodnosti zahtevala potrditev s strani observatorijev za ultravisokoenergijske γ-žarke, kot sta CTAO ali SWGO. Veliko pomembnejši napredek v znanosti o temni snovi bi bilo neposredno odkrivanje katerega koli delca DM.  

*** 

Reference:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK et al. Novi pristopi k zaznavanju temne snovi. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. in Rossib N. 2024. Neposredno zaznavanje temne snovi: kritični pregled. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Instituto de Física Corpuscular. V iskanju temne snovi: nov pristop k odkrivanju nevidnega. 22. avgust 2025. Na voljo na https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM in sod. 2025. Morfologija presežka temne snovi v galaksijskem središču Fermi-LAT v simulacijah Rimske ceste. Physical Review Letters. 135, 161005. Objavljeno 16. oktobra 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Predtiskana različica na arXiv. Oddano 8. avgusta 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Univerza Johns Hopkins. Novice – Skrivnostni sij v Mlečni cesti bi lahko bil dokaz temne snovi. Objavljeno 16. oktobra 2025. Na voljo na https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Leibnizov inštitut za astrofiziko. Novice – Mlečna cesta kaže presežek gama žarkov zaradi anihilacije temne snovi. Objavljeno 17. oktobra 2025. Na voljo na https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Vesoljski teleskop za gama žarke Fermi. Na voljo na https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Observatorij Čerenkov teleskop Array (CTAO). Na voljo na https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Južni observatorij gama žarkov širokega polja (SWGO). Na voljo na https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Observatorij Tartu. Temna stran vesolja. Na voljo na https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***