Temná hmota v strede našej domovskej galaxie 

Fermiho teleskop jasne pozoroval nadmerné vyžarovanie γ-lúčov v strede našej domovskej galaxie, ktoré sa javilo ako nesférické a sploštené. Toto nadmerné vyžarovanie γ-lúčov, označované ako galaktický stredový nadbytok (GCE), je možným znakom tmavej hmoty vznikajúcej ako produkt samoanihilácie slabo interagujúcich masívnych častíc (WIMP), čo je kandidát na častice tmavej hmoty. Nadbytok γ-lúčov pozorovaný v galaktickom strede však môže byť spôsobený aj starými milisekundovými pulzarmi (MSP). Doteraz sa predpokladalo, že morfológia GCE spôsobená tmavou hmotou (DM) by bola sférická. Nedávna simulačná štúdia odhalila, že morfológia gama žiarenia spôsobená DM by mohla byť výrazne nesférická a sploštená. To znamená, že pre pozorované GCE sú rovnako možné hypotézy anihilácie tmavej hmoty (DM) aj milisekundových pulzarov (MSP). Gama lúče produkované anihiláciou tmavej hmoty (DM) by mali extrémne vysokú energetickú hladinu približne 0.1 teraelektrónvoltu (TeV). Štandardné gama teleskopy nedokážu tieto fotóny s vysokou energiou priamo detekovať. Potvrdenie modelu tmavej hmoty (DM) prebytku galaktického centra (GCE) by preto bolo možné po dokončení štúdií tera-γ-lúčovými observatóriami, ako sú Čerenkovov teleskopický observatórium (CTAO) a Južné širokopohové gama-lúčové observatórium (SWGO).

Príbeh temnej hmoty sa začal v roku 1933, keď Fritz Zwicky pozoroval, že rýchlo sa pohybujúce galaxie v hviezdokope Coma nedokážu držať pohromade a zostať stabilné bez prítomnosti ďalšej hmoty, ktorá je síce neviditeľná, ale vyvíja dostatočný gravitačný účinok, aby zabránila rozpadu galaxií. Na označenie takejto neviditeľnej hmoty zaviedol termín „temná hmota“. V 60. rokoch 20. storočia Vera Rubin významne prispela k nášmu pochopeniu temnej hmoty. Poznamenala, že hviezdy na vonkajších okrajoch Andromédy a iných galaxií sa otáčali rýchlosťou rovnakou ako rýchlosti hviezd smerom k stredu. Pri danom súčte všetkej pozorovanej hmoty by sa galaxia mala rozpadnúť, čo by si vyžadovalo prítomnosť nejakej ďalšej neviditeľnej hmoty, ktorá drží galaxie pohromade a spôsobuje ich rotáciu vysokými rýchlosťami. Jej merania rotačných kriviek galaxie Androméda poskytli najskoršie dôkazy o existencii temnej hmoty.  

Teraz vieme, že temná hmota neinteraguje so svetlom ani elektromagnetickou silou. Neabsorbuje, neodráža ani nevyžaruje svetlo ani žiadne iné elektromagnetické žiarenie a je neviditeľná, preto sa označuje ako tmavá. Gravitačne sa však zhlukuje a má gravitačný účinok na bežnú hmotu, a preto sa všeobecne usudzuje na jej prítomnosť vo vesmíre. Galaxie sú držané pohromade v rovnováhe gravitačným účinkom temnej hmoty, ktorá tvorí až 26.8 % hmotnostného energetického obsahu vesmíru, zatiaľ čo celý pozorovateľný vesmír vrátane všetkej baryonickej bežnej hmoty, z ktorej sme všetci zložení, tvorí iba 4.9 % vesmíru. Zvyšných 68.3 % hmotnostného energetického obsahu vesmíru tvorí temná energia.  

Nie je známe, čo je v skutočnosti temná hmota. V nej nie sú žiadne základné častice. Štandardný model majú vlastnosti potrebné na to, aby boli temnou hmotou. Možno hypotetické „supersymetrické častice“, ktoré sú partnermi častíc v Štandardnom modeli, tvoria tmavú hmotu. Možno existuje paralelný svet temnej hmoty. WIMPy (slabo interagujúce masívne častice), axióny alebo sterilné neutrína sú hypotetické častice mimo Štandardného modelu, ktoré sú hlavnými kandidátmi. Zatiaľ sa však v detekcii takýchto častíc nedosiahol žiadny úspech.  

Existuje niekoľko projektov (ako napr. Experiment s XENÓNOM, Projekt DarkSide-20k, Experiment s liekmi EURECA, a RES-NOVA) v súčasnosti prebiehajú projekty na priamu detekciu častíc tmavej hmoty. Ide prevažne o detektory kvapalných vzácnych plynov alebo kryogénne detektory, ktoré sú určené na detekciu slabých signálov z interakcií častíc tmavej hmoty. Napriek mnohým novým prístupom však zatiaľ žiadny projekt nedokázal priamo detekovať žiadnu časticu tmavej hmoty. 

Nepriamy dôkaz o existencii temnej hmoty možno hľadať v gravitačných účinkoch, ako to urobili Fritz Zwicky a Vera Rubin, ktorí objavili temnú hmotu štúdiom toho, ako sú galaxie držané pohromade napriek tomu, že ich rýchlosti sú neúmerne vysoké pre pozorovanú bežnú hmotu. Gravitačné účinky šošovkovania (ohýbania svetla) a vplyvy na pohyb hviezd vo vesmíre môžu tiež poskytnúť nepriamy dôkaz o prítomnosti temnej hmoty. Okrem toho, produkty anihilácie (ako sú gama lúče, neutrína a kozmické lúče), ktoré vznikajú pri zrážkach častíc tmavej hmoty vo vesmíre, môžu tiež naznačovať prítomnosť temnej hmoty. Jedným z takýchto miest, kde bola temná hmota predpovedaná na základe produktov anihilácie častíc tmavej hmoty, je centrum našej domovskej galaxie Mliečna dráha.  

Detekcia tmavej hmoty v strede našej domovskej galaxie Mliečna dráha  

V strede Mliečnej dráhy (MW) sa objavili náznaky nadmernej difúznej mikrovlnnej centrálnej žiary. Predpokladalo sa, že nadmerná žiara je spôsobená synchrotrónovou emisiou z relativistických elektrónov a pozitrónov generovaných pri anihilácii tmavej hmoty WIMP, a preto bol predpovedaný rozšírený difúzny signál γ-žiarenia v energetickom rozsahu až do niekoľkých stoviek GeV. Následne Fermiho teleskop s veľkou plochou (LAT) detekoval signál γ-žiarenia, ktorý bol identifikovaný ako prebytok galaktického centra (GCE). Čoskoro sa zistilo, že prebytok galaktického centra (GCE) môže byť spôsobený aj starými neutrónovými hviezdami (milisekundovými pulzarmi). Predpokladalo sa, že morfológia GCE by bola dôležitá – symetrický guľovitý GCE by naznačoval emisiu γ-žiarenia z anihilácie častíc tmavej hmoty (DM), zatiaľ čo sploštená morfológia GCE by naznačovala emisiu γ-žiarenia z milisekundových pulzarov (MSP).  

Rozsiahle pozorovanie galaktického centra Mliečnej dráhy pomocou Fermiho teleskopu s veľkou plochou (LAT) odhalilo sploštenú asférickosť. Bežne by sa pozorovaná asférickosť spájala so starými hviezdami (MSP), avšak nedávna štúdia publikovaná 16. októbra 2025 dospela k záveru, že morfológie GCE predpovedané modelmi anihilácie starých hviezd (MSP) aj tmavej hmoty (DM) sú nerozoznateľné.   

Aby výskumníci študovali rozloženie tmavej hmoty, vykonali simuláciu morfológie galaxií podobných MW (Mliečna dráha). Zistili, že halo tmavej hmoty okolo galaxií, ako aj okolo centrálnych oblastí galaxií, boli zriedkavo sférické, ako sa predpokladá v anizotropnom modeli. Namiesto toho analýza ukázala sploštenú projekciu hustoty tmavej hmoty pre všetky galaxie. Toto neosovo symetrické rozloženie tmavej hmoty (DM) sa ukázalo aj v histórii zlučovania galaxie Mliečna dráha v prvých troch miliardách rokov histórie vesmíru. Pozorovaná morfológia GCE je sploštená nad centrálnou oblasťou, čo sa všeobecne považuje za charakteristické pre rozloženie starých hviezd (MSP). Nová štúdia ukázala, že tmavá hmota (DM) generuje podobné krabicové rozloženie. Preto sú pre pozorované GCE rovnako možné hypotézy anihilácie tmavej hmoty (DM) aj milisekundových pulzarov (MSP).   

Či je pozorované GCE spôsobené tmavou hmotou (DM) alebo milisekundovými pulzarmi (MSP), bude známe, keď observatóriá gama žiarenia, ako napríklad Čerenkovov teleskopický observatórium (CTAO) a Južné širokopohové gama observatórium (SWGO), v budúcnosti dokončia svoje štúdie tera-gama žiarenia. Gama lúče produkované ako produkt anihilácie tmavej hmoty (DM) v galaktickom centre by boli fotóny s ultravysokou energiou s extrémne vysokou energetickou hladinou približne 0.1 teraelektrónvoltu (TeV). Štandardné gama teleskopy nedokážu tieto fotóny s vysokou energiou priamo detekovať. Tera-gama lúče budú dôležitým cieľom pre budúce observatóriá gama žiarenia, ako sú CTAO a SWGO.  

Táto štúdia je krokom vpred v detekcii tmavej hmoty vo vesmíre prostredníctvom jej anihilačných produktov, avšak prítomnosť tmavej hmoty v galaktickom centre by si v budúcnosti vyžadovala potvrdenie observatóriami ultravysokých energií gama žiarenia, ako sú CTAO alebo SWGO. Oveľa významnejším pokrokom vo vede o tmavej hmote by bola priama detekcia akejkoľvek častice DM.  

*** 

Referencie:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK a kol. Nové prístupy k detekcii tmavej hmoty. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. a Rossib N. 2024. Priama detekcia tmavej hmoty: kritický prehľad. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Instituto de Física Corpuscular. Hľadanie temnej hmoty: nový prístup k detekcii neviditeľného. 22. augusta 2025. Dostupné na https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM a kol. 2025. Morfológia nadbytku galaktického centra Fermi-LAT v simuláciách Mliečnej dráhy. Physical Review Letters. 135, 161005. Publikované 16. októbra 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Predtlačová verzia v arXiv. Odoslané 8. augusta 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Univerzita Johnsa Hopkinsa. Správy – Záhadná žiara v Mliečnej dráhe by mohla byť dôkazom temnej hmoty. Publikované 16. októbra 2025. Dostupné na https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Leibnizov inštitút pre astrofyziku. Správy – Mliečna dráha vykazuje nadbytok gama žiarenia v dôsledku anihilácie tmavej hmoty. Zverejnené 17. októbra 2025. Dostupné na https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Fermiho gama-ray vesmírny teleskop. Dostupné na https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Observatórium Čerenkovovho teleskopického sústavového systému (CTAO). Dostupné na https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Južné širokopoľové observatórium gama žiarenia (SWGO). Dostupné na https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Observatórium Tartu. Temná stránka vesmíru. Dostupné na https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***