Astronoomid on uurinud Linnutee galaktika keskmest lähtuvat salapärast gammakiirguse kuma aastakümneid. Ülejäägi selgitamine on osutunud teadlaste jaoks parajaks pähkliks. Seni väljakäidud teooriatest on popimad kaks.

Esimese teooria kohaselt pärineb kiirgus tumeaine osakeste kokkupõrgetest. Tumeaine ise on nähtamatu aine, mis moodustab kosmoloogiliste mudeli kohaselt umbes 27 protsenti universumist. Kui kaks tumeaine osakest kokku põrkavad, viib see nende hävingu ehk annihilatsioonini, tekitades sellega gammakiirguse sähvatuse. Kui teooria paika peab, oleks sama gammakiirguse näol tegu kaudse tõendiga tumeaine olemasolust.

Teine, konkureeriv seletus pakub kiirguseallikaks tuhandeid veel avastamata millisekundpulsareid. Need iidsed ja ülitihedad neutrontähed pöörlevad tuhandeid kordi sekundis. Mõlemal teoorial on aga olnud tõsiseid puudujääke. Tartu Observatooriumi astrofüüsika teadur Moorits Mihkel Muru sõnul ei sobi tegelikult väga hästi kumbki selgitus. "Neil on omad puudused ja raske on leida, kumb see parem on," lisas ta.

Peamine probleem tumeaine teooriaga oli Maani jõudva gammakiirguse jaotus. Vaatlused näitasid, et selle põhjal ei paikneks tumeaine galaktika keskmes täiusliku sfäärina, vaid märksa lapikuma pontšikuna. Seni laialdaselt kasutatud mudelid aga eeldavad, et tumeaine jaotus peaks olema sfääriline. Pulsarite teooria eeldas seevastu, et galaktika keskmes on suur hulk kahtlaselt nõrku pulsareid, mida pole astronoomid suutnud seni tabada.

Uus simulatsioon pakub lahenduse

Nüüd ilmus ajakirjas Physical Review Letters uuring, mille üks juhtautoreid Moorits Mihkel Muru on seotud lisaks Saksamaal asuva Leibnizi Astrofüüsika Instituudiga. Muru kasutas kolleegidega ülitäpseid arvutimudeleid, et mõista sügavamalt Linnutee-sarnaste galaktikate moodustumist. Erinevalt varasematest töödest arvestasid HESTIA simulatsioonid ka galaktika varajase ja tormilise ajalooga.

Muru selgitas, et initsiatiiv tuli kaasautor Joseph Silkilt. Nimekas Briti-Ameerika astrofüüsik seadis kahtluse alla eelduse, et tumeaine jaotus peab olema sfääriline. "Võtsin need simulatsioonid ette ja üritasin välja selgitada, mida teadlased näeksid, kui nad tumeainest tingitud kiirgust registreerivad," lausus astrofüüsik.

Teadlased seadsid end simulatsioonis vaatleja positsioonile, suunasid pilgu galaktika keskme poole ja kirjeldasid, milline näeks välja tumeaine kokkupõrgetest tekkiv kiirgus Maalt vaadatuna. Tulemused näitasid, et tumeaine jaotus galaktika siseosas polegi sfääriline, vaid pigem lapik ja asümmeetriline.

Simulatsioonide kohaselt saab võrrelda tumeaine kiirguse jaotust vanade tähtedega galaktika keskmes. "Näitasime oma töös, et see [tumeaine jaotus] ongi tegelikult natukene lapik, samamoodi nagu kiirgus, millel pole olnud head seletust," selgitas Muru.

Avastus kõrvaldab tumeaine-teooria suurima nõrkuse. Uuringu kohaselt on simulatsioonides nähtud lapik tumeaine jaotus täpselt selline, et seletada vaadeldud gammakiirguse ülejääki. Tööst järeldub, et tumeaine ja pulsarite tekitatud kiirguse kuju sisuliselt eristamatud. "Hetkel, pärast seda tööd tundub, et tumeaine sobib paremini, sest saime seletatud ühe tumeaine põhilise nõrkuse," ütles Muru.

Vaidlus jätkub uute teleskoopide ootuses

Kuigi uus uuring lahendas tumeaine mudeli kujuprobleemi, ei tähenda see veel, et pulsarite teooria saab lõplikult kõrvale heita. Moorits Mihkel Muru möönis, et teadlastel on sageli eelhäälestus vastavalt sellele, millega on varem tegeletud, ja tema kogemus pulsaritega oli varasemalt väike. Kuna mõlema teooria pakutav kuju on nüüd sarnane, tuleb selgituste paremus üle otsustamiseks vaadata nüüd gammakiirguse muid omadusi.

Muru sõnul peitub võti uutes teleskoopides ja vaatlustes. "Üks suur erisus pulsarite ja tumeaine selgituse vahel on see, et kui uued teleskoobid ja vaatlused tulevad, peaks olema pulsarite puhul näha üksikud punktallikad," selgitas ta. Tumeaine kiirgus jääks aga ühtlaselt hajutatuks. "Kui näeme ka neid kasutades ühtlast kiirgusjaotust, tugevdaks see tumeaine selgitust veelgi," lisas Muru.

Astronoomide lootused rajanevad Tšiilisse rajatavale Tšerenkovi teleskoobivõrgustikule (Cherenkov Telescope Array ehk CTA), mis alustab kava kohaselt tööd 2026. aastal. See suudab mõõta oluliselt kõrgema energiaga gammakiirgust. Astronoomid arvavad, et tumeaine hävingut iseloomustab väiksemat energiaga gammakiirgus, samas kui pulsarid kiirgavad ka kõrgematel energiatel.

Praegused teleskoobid, nagu Fermi kosmoseteleskoop, jätkavad samuti andmete kogumist. Muru sõnul peab aga uute teleskoopide tulekuni vaja teha rohkem tööd mudelitega, et andmeid täpsemalt tõlgendada.

Jaht WIMP-idele

Galaktika keskme kuma peetakse praegu kõige tugevamaks kaudseks tõendiks nõrgalt interakteeruvate massiivsete osakeste (Weakly Interacting Massive Particles ehk WIMPs) olemasolule. Need on ühed peamised tumeaine kandidaadid.

Samu WIMP-osakesi üritatakse tabada suurtes ja kallites maa-alustes eksperimentides, mis pole seni peale neutriinodest tingitud müra midagi tuvastanud. Muru selgitas, et kaks lähenemist on erinevad. Galaktika keset vaadeldes püütakse näha osakesi, mis on juba kokku põrganud ja muutunud kiirguseks. "Maa all asuvad eksperimendid loodavad, et need osakesed läbivad detektorit ja muutuvad alles seal kiirguseks," selgitas Moorits Mihkel Muru.

Maa-aluste detektorite peamine probleem on tumeaine väike tihedus. Galaktika keskmes on see aga palju suurem, mistõttu on seal signaali leidmise võimalus märksa suurem. "Kui me suudame öelda, et galaktika keskmest tulev signaal on tõesti märk tumeainest, annab see ehk rohkem julgust ka teistele eksperimentidele, mis püüavad tumeaine osakesi otseselt leida," sõnas teadur.