Maitotien ytimessä havaittu gammaylimäärä herättää uudelleen

Kun katsot kohti galaksin sydäntä, löydät hehkun, jota ei voi selittää. Se on himmeä, pallomainen ja leviää tuhansien valovuosien yli. Yli kymmenen vuoden ajan tähtitieteilijät ovat kiistelleet sen synnystä: onko kyse eksottisesta signaalista pimeästä aineesta vai tavallisten, yksinkertaisesti näkymättömien kohteiden parvista.

Kuva Maitotien keskustassa havaitusta gammaylimäärästä, päällekkäin galaksin optisen kuvan kanssa. Tutkijat ovat yli kymmenen vuoden ajan kiistelleet tämän ylimäärän alkuperästä ja siitä, voisiko sen aiheuttaa pimeä aine. 

Uusi tutkimus, jota johtivat Wienin yliopiston ja Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion tiimit ja joka julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä, ei sulje asiaa. Se herättää kysymyksiä uudelleen muuttamalla tapaa, jolla tarkastelemme dataa. Sen sijaan, että jokainen havaittu gammatason fotoni tulkittaisiin kartalle ilmestyneeksi pisteeksi, tutkijat opettivat koneoppimismallin lukemaan kunkin fotonin energiaa sekä sen sijaintia. Tulos muuttaa uskottavien selitysten painotusta.

Tarkempi katse galaksin keskukseen

Ilmiötä kutsutaan galaksin keskustan ylimääräksi. Se ilmenee ylimääräisenä gammavaloemittiona, joka on keskittynyt Maitotien ytimeen. Kaksi selitystä ovat hallinneet keskustelua: itsetuhoutuva pimeä aine, teoreettinen hiukkaspohjainen prosessi, joka tuottaisi gammatason säteilyä pimeän aineen hiukkasten törmätessä, tai piilevä populaatio millisekuntipulsareita, pieniä neutronitähtiä, jotka pyörivät satoja kertoja sekunnissa ja säteilevät korkeaenergistä valoa.

Kumpi se on? Alue on sotkuinen. Galaksin keskusta loistaa monilla aallonpituuksilla, kun kaasu, tähdet ja muut lähteet ovat pakattuina pieneen taivaanalueeseen. Aikaisemmat tilastolliset testit kallistuivat usein pulsarien puoleen, sillä ylimäärä vaikutti monen ratkaisemattoman pistelähteen summalta. Nuo analyysit kuitenkin jättivät suurelta osin huomioimatta olennaisen tiedon: kunkin gammafotonin kantaman energian.

Korjatakseen tämän tiimi koulutti neuroverkkoa yli miljoonalla simuloidulla gammahavainnolla. Malli oppi painottamaan sekä fotonien saapumispaikkaa että niiden energiaa. Tämä yhdistelmä on ratkaiseva. Energia-spektrit sisältävät fysikaalisten prosessien tunnusmerkkejä. Kun tutkijat sisällyttivät fotonien energiat malliin, kuva muuttui: jos säteily tulee pulsareista, niiden pitäisi olla huomattavasti himmeämpiä kuin aiemmat tutkimukset olettivat. Himmeämmät pulsarit on vaikeampi erottaa tasaisesta hehkusta, jota odotettaisiin itsetuhoutuvan pimeän aineen tuottamana.

Yksi karu seuraus: pulsarivaihtoehto edellyttäisi nyt valtavaa populaatiota, noin 35 000 millisekuntipulsaria, jotka on keskittyneet lähelle Maitotien keskustaa. Luku ylittää selvästi aiemmat arviot, jotka olivat muutamasta sadasta muutamaan tuhanteen. Niin suuren pulsarimäärän syntyminen ja säilyminen näin kompaktissa alueessa herättää astrofysikaalisia kysymyksiä, joihin nykyiset mallit vastaavat vaikeasti.

Asiantuntijan kommentti

"Tämä on huolellinen, systemaattinen askel eteenpäin", sanoo kuvitteellinen astrofyysikko tohtori Lena Ortiz, joka työskentelee korkeaenergiaisissa kartoissa. "Muutoksen ydin ei ole vain uusi algoritmi, vaan halu antaa fotonien puhua kokonaisemmin. Energia on olennainen ominaisuus jokaisessa havainnossa. Kun se otetaan mukaan, pisteiden kaltaisten lähteiden ja tasaisen hehkun välinen ero hämärtyy. Se pitää pimeän aineen vahvana selitysvaihtoehtona."

Tutkimuksen tekijät, joukossa muun muassa Florian List Wienin yliopistosta ja Nick Rodd Lawrence Berkeleyn laboratoriosta, ilmaisevat selvästi työnsä rajat. Heidän työnsä ei todista, että pimeä aine aiheuttaa ylimäärän. Pikemminkin se poistaa yhden vahvimmista käytännön perusteluista, joita oli muodostettu pimeän aineen hypoteesia vastaan. Olennaisesti aiempi päättelyketju on heikentynyt.

Tällä on merkitystä, koska galaksin keskustan ylimäärä on pitkään ollut yksi lupaavimmista epäsuorista merkeistä pimeästä aineesta. Jos itsetuhoutuva pimeä aine olisi vastuussa, se avaisi ikkunan standardimallin ylittävään hiukkasfysiikkaan. Mutta poikkeukselliset väitteet vaativat poikkeuksellista näyttöä. Uusi analyysi palauttaa keskustelun jälleen avoimempien mahdollisuuksien kenttään.

Johtopäätös

Opetus on sekä tekninen että filosofinen. Paremmat mallit, älykkäämpi datan hyödyntäminen ja monitieteiset menetelmät voivat kumota näyttäviltä vaikuttavia johtopäätöksiä. Koneoppiminen ei luo löydöksiä tyhjästä; se vahvistaa fotoneissa jo olemassa olevia vivahteita. Galaksin keskusta ei luovuta salaisuuksiaan hetkessä. Seuraavia toimenpiteitä tarvitaan: syvemmät radio- ja röntgenhavaintokartoitukset himmeiden pulsarien etsintään, parannetut gammainstrumentit sekä riippumattomat analyysit, jotka testaavat samoja signaaleja eri oletuksilla.

Tällä hetkellä galaksimme ytimen gammakajo on edelleen avoin arvoitus. Pimeää ainetta ei ole todistettu. Siitä huolimatta se on ansainnut uuden mahdollisuuden keskustelussa.