Характер и состав темной материи неизвестны. По некоторым данным, она неоднородна. В мире, скорее всего, есть "горячая" темная материя, состоящая из ненаблюдаемых частиц, движущихся со световой или околосветовой скоростью, и "холодная" темная материя, состоящая из массивных "медленных" частиц.


Некоторое время назад, в 2014 году, почти одновременно сразу две независимые группы, исследуя спектры рентгеновского излучения (одна - по данным наблюдения множества наложившихся друг на друга при наблюдении скоплений галактик, вторая - при исследовании огромного галактического кластера Персея - он содержит тысячи галактик, буквально закутанных в мощное облако межгалактического газа, и является самым ярким рентгеновским источником на небе) обнаружили в спектре рентгеновского излучения неидентифицированную линию, соответствующую энергии примерно 3,52 килоэлектронВольт.

Изображение кластера Перcея
Изображение кластера Перcея, составленное из данных трех рентгеновских обсерваторий. Credits: X-RAY: NASA/CXO/FABIAN ET AL.; RADIO: GENDRON-MARSOLAIS ET AL.; NRAO/AUI/NSF OPTICAL: NASA, SDSS

Найти известный физический процесс, "ответственный" за излучение этой линии, не удалось.


Появилась весьма разумная гипотеза, гласящая, что это излучение объясняется распадом частиц темной материи (на нейтрино и фотон - тот самый, несущий энергию 3,52 кэВ). Такой процесс может быть чрезвычайно редок (по оценкам, среднее время жизни распадающихся частиц может превосходить время жизни Вселенной порядков на шесть) - но для космических масштабов в подобных условиях он теоретически должен наблюдаться.
В таком случае масса распадающихся частиц темной материи должна быть равна примерно 7 кэВ - раз в семьдесят легче электрона. Вполне съедобно теоретически. Если даже не вся темная материя состоит из таких частиц, то уж частично - вполне может.


Осталось ждать подтверждения и продолжения исследований. И задумываться о так называемых стерильных нейтрино - теоретически возможных и предусмотренных некоторыми физическими моделями частицах подходящей массы, прекрасно подходящих на роль темной материи.
Кстати, кое-что об этом поподробнее.


Хотя масса частицы 7 кэВ, вроде бы, мала - она уступает массе электрона более, чем в семьдесят раз - в момент, когда Вселенная могла стать для таких частиц "прозрачной", (то есть, момент времени, в который температура Вселенной вследствие расширения упала настолько, что их энергия начала превышать энергию окружающей материи, и эти частицы вышли из состояния термодинамического равновесия или, можно сказать, отделились от остального вещества) наступил быстро - через несколько секунд с момента появления нашего мира, и при этом их скорость была ниже скорости света на два порядка.


А это означает, замечу, что при такой небольшой скорости они вполне могли в достаточно ранние времена, фактически, начиная с первой минуты жизни Вселенной за счет гравитационных сил образовывать достаточно массивные и относительно устойчивые структуры с характерной массой, соответствующей массе сверхскоплений и гиперскоплений галактик.


Так что в случае подтверждения результатов, это открытие вполне соответствовало бы теоретическим представлениям о формировании крупномасштабной структуры Вселенной.


А дальше начался детектив...


Подождали. Подтверждение статистически значимого существования эмиссионной линии 3,52 кэВ было опубликовано для обоих случаев - и для кластера Персея, и для 73 удаленных кластеров.

 

Но все оказалось не столь простым. Длительные (18,5 суток) непрерывные наблюдения карликовой галактики в Драконе (Есть такой спутник у Млечного пути, удаленная на 260 тысяч световых лет, карликовая сферическая галактика. Интересна эта галактика тем, что доля темной материи в ее полной массе является наибольшей из известных, и это - объект с наибольшей концентрацией темной материи из всех известных объектов Вселенной) не показали ни одного события наблюдения рентгеновского излучения с энергией около 3,5 кэВ. Увы, но со значительной вероятностью это исключало связь указанной выше эмиссии с темной материей. При этом, опять же, увы, окончательный вывод делать было рано - чувствительность оборудования позволяла делать выводы на грани погрешности наблюдений.


Уже после, в 2016 году спутник Hitomi, казалось бы, закрыл вопрос - его чувствительность была достаточно высокой, и он не подтвердил наличия эмиссии рентгеновского излучения с энергией 3,52 кэВ в спектре скопления Персея.


Казалось бы, все понятно - ошибка наблюдения, чего уж тут, и красивая идея погибла на корню. Но не тут-то было. Вопрос о том, отчего же эту линию наблюдали другими инструментами, остался.

 

А потом, в конце прошлого года обнаружились интересные вещи.


Hitomi, конечно, улавливает рентгеновское излучение с высокой точностью - но вот пространственное разрешение у него не слишком высоко, в то время, как ранее наблюдавшие эмиссию в кластере Персея аппараты, такие как Chandra, "видят" намного меньшую область неба и обладают, соответственно, при меньшей чувствительности большим пространственным разрешением.

 

Hitomi "захватывает" и темное гало кластера, и сверхмассивную черную дыру его центральной галактики. А аккуратные исследования показали, что в районе черной дыры, наоборот, наблюдается поглощение рентгеновской эмиссии. Если суммировать наблюдения от черной дыры и окружающей ее области, суммарный сигнал не показывает характерного для наблюдений с большим пространственным разрешением пика.

 

Проверили. Если провести наблюдения периферийной области кластера на Chandra - пик наблюдается!


Получили неожиданный вывод - в таком случае, темная материя в самой центральной галактике еще и поглощает рентгеновское излучение этой энергии с последующим (очень медленным!) переизлучением.

 

Вот так...


Ну а 24 июля 2018 г. опубликован препринт, в котором подтверждено с высокой достоверностью, что неидентифицированная линия рентгеновского излучения энергии 3,52 кэВ в старой карликовой галактике Сетка II не принадлежит астрофизическим источникам. А в принципе, кроме них возможный источник лишь один.


А стало быть, чем дальше, тем больше все это похоже как на открытие ранее известных сугубо теоретически и практически ни с чем не взаимодействующих стерильных нейтрино, так и на понимание того, из чего, полностью или частично, состоит загадочная темная материя.