Materia întunecată în centrul galaxiei noastre natale 

Telescopul Fermi a făcut o observație clară a excesului de emisie de raze gamma în centrul galaxiei noastre, care apărea nesferică și aplatizată. Denumit Exces de Centru Galactic (GCE), acest exces de raze gamma este o posibilă semnătură a materiei întunecate care apare ca produs al auto-anihilărilor particulelor masive care interacționează slab (WIMP), un candidat pentru particule de materie întunecată. Cu toate acestea, excesul de raze gamma observat în centrul galactic se poate datora și pulsarilor de milisecundă (MSP) vechi. Până acum, se considera că morfologia GCE datorată materiei întunecate (DM) ar fi sferică. Un studiu recent de simulare arată că morfologia razelor gamma datorată DM ar putea fi semnificativ nesferică și aplatizată. Aceasta înseamnă că atât ipotezele anihilărilor materiei întunecate (DM), cât și ipotezele pulsarilor de milisecundă (MSP) pentru GCE observat sunt la fel de posibile. Razele gamma produse în anihilarea materiei întunecate (DM) ar avea un nivel de energie extrem de ridicat, de aproximativ 0.1 tera-electron-volți (TeV). Telescoapele standard cu raze gamma nu pot detecta direct acești fotoni de înaltă energie. Prin urmare, confirmarea modelului de materie întunecată (DM) al Excesului de Centru Galactic (GCE) ar fi posibilă după finalizarea studiilor de către observatoarele de raze gamma tera, cum ar fi Observatorul Rețelei de Telescoape Cherenkov (CTAO) și Observatorul Sudic de raze gamma cu câmp larg (SWGO).

Povestea materiei întunecate a început în 1933, când Fritz Zwicky a observat că galaxiile care se mișcă rapid din Roiul Coma nu pot rămâne împreună și stabile fără prezența unei materii suplimentare care este cumva invizibilă, dar care exercită un efect gravitațional adecvat pentru a împiedica destrămarea galaxiilor. El a inventat termenul „materie întunecată” pentru a se referi la această materie invizibilă. În anii 1960, Vera Rubin a adus o contribuție fundamentală la înțelegerea materiei întunecate. Ea a observat că stelele de la marginile exterioare ale Andromedei și ale altor galaxii se roteau cu o viteză la fel de mare ca viteza stelelor spre centru. Pentru suma dată a întregii materii observate, galaxia ar fi trebuit să se despartă, necesitând prezența unei materii invizibile suplimentare care să țină galaxiile împreună și să le facă să se rotească la viteze mari. Măsurătorile ei ale curbelor de rotație ale galaxiei Andromeda au furnizat primele dovezi ale materiei întunecate.  

Acum știm că materia întunecată nu interacționează cu lumina sau forța electromagnetică. Nu absoarbe, nu reflectă și nu emite lumină sau alte radiații electromagnetice și este invizibilă, de aceea este denumită „întunecată”. Dar se grupează gravitațional și are efect gravitațional asupra materiei obișnuite, acesta fiind modul în care se deduce în general prezența sa în spațiu. Galaxiile sunt ținute împreună în echilibru de efectul gravitațional al materiei întunecate, care constituie până la 26.8% din conținutul energetic masic al universului, în timp ce întregul univers observabil, inclusiv toată materia barionică obișnuită din care suntem cu toții alcătuiți, reprezintă doar 4.9% din univers. Restul de 68.3% din conținutul energetic masic al universului este energie întunecată.  

Nu se știe ce este cu adevărat materia întunecată. Nicio particulă fundamentală din Modelul Standard au proprietățile necesare pentru a fi materie întunecată. Poate că „particulele supersimetrice” ipotetice, partenere ale particulelor din Modelul Standard, formează materia întunecată. Poate că există o lume paralelă a materiei întunecate. WIMP-urile (particule masive cu interacțiune slabă), axionii sau neutrinii sterili sunt particule ipotetice dincolo de Modelul Standard, care sunt candidați principali. Cu toate acestea, nu s-a obținut încă niciun succes în detectarea unor astfel de particule.  

Există mai multe proiecte (cum ar fi Experimentul XENON, Proiectul DarkSide-20k, Experimentul EURECA, și RES-NOVA) sunt în curs de desfășurare pentru detectarea directă a particulelor de materie întunecată. Acestea sunt în mare parte detectoare de gaze nobile lichide sau detectoare criogenice, concepute pentru a detecta semnale slabe provenite din interacțiunile particulelor de materie întunecată. Cu toate acestea, în ciuda numeroaselor abordări inovatoare, niciun proiect nu a reușit încă să detecteze direct nicio particulă de materie întunecată. 

Pentru dovezi indirecte ale materiei întunecate, se pot căuta efectele gravitaționale ale acesteia, așa cum au făcut Fritz Zwicky și Vera Rubin pentru a descoperi materia întunecată studiind modul în care galaxiile sunt ținute laolaltă în ciuda faptului că au viteze disproporționat de mari pentru materia obișnuită observată. Efectele gravitaționale ale lentilei (curbarea luminii) și efectele asupra mișcării stelelor în spațiu pot oferi, de asemenea, dovezi indirecte ale prezenței materiei întunecate. În plus, produsele de anihilare (cum ar fi razele gamma, neutrinii și razele cosmice) create atunci când particulele de materie întunecată se ciocnesc între ele în spațiu pot indica, de asemenea, prezența materiei întunecate. O astfel de locație în care materia întunecată a fost prezisă pe baza produselor de anihilare a particulelor de materie întunecată este centrul galaxiei noastre, Calea Lactee.  

Detectarea materiei întunecate în centrul galaxiei noastre, Calea Lactee  

Au existat indicii ale unui exces de strălucire difuză centrală de microunde în centrul Căii Lactee (MW). S-a propus că strălucirea excesivă se datorează emisiei de sincrotron de la electronii și pozitronii relativiști generați în anihilarea materiei întunecate WIMP, prin urmare, s-a prezis un semnal difuz extins de raze gamma în intervalul de energie de până la câteva sute de GeV. Ulterior, Telescopul Fermi-Large Area (LAT) a detectat semnalul de raze gamma, care a fost identificat ca Excesul Centrului Galactic (GCE). Curând, s-a realizat că Excesul Centrului Galactic (GCE) ar putea fi datorat și stelelor neutronice vechi (pulsari de milisecundă). S-a crezut că morfologia GCE ar fi importantă - un GCE simetric de formă sferică ar indica emisia de raze gamma din anihilarea particulelor de materie întunecată (DM), în timp ce o morfologie aplatizată a GCE ar sugera emisia de raze gamma de la pulsarii de milisecundă (MSP).  

Observarea extinsă a centrului galactic al Căii Lactee de către Telescopul Fermi-Large Area (LAT) a relevat o asfericitate aplatizată. În mod obișnuit, s-ar asocia asfericitatea observată cu stelele vechi (MSP), însă un studiu recent publicat pe 16 octombrie 2025 a concluzionat că morfologiile GCE prezise atât de modelele de anihilare a stelelor vechi (MSP), cât și de cele ale materiei întunecate (DM) sunt imposibil de distins.   

Pentru a studia distribuția materiei întunecate, cercetătorii au efectuat o simulare a morfologiei galaxiilor de tip MW (Calea Lactee). Ei au descoperit că halourile de materie întunecată din jurul galaxiilor, precum și din jurul regiunilor centrale ale galaxiilor, erau rareori sferice, așa cum se presupunea în modelul anizotrop. În schimb, analiza a arătat o proiecție aplatizată a densității materiei întunecate pentru toate galaxiile. Această distribuție non-axială a materiei întunecate (DM) a fost demonstrată și de istoria fuziunii galaxiei Calea Lactee în primii trei miliarde de ani din istoria universului. Morfologia observată a GCE este aplatizată deasupra regiunii centrale, ceea ce este în general considerat a fi caracteristic distribuției stelelor vechi (MSP). Noul studiu a demonstrat că materia întunecată (DM) generează o distribuție similară, de formă pătratică. Astfel, atât ipotezele anihilărilor materiei întunecate (DM), cât și ipotezele pulsarilor de milisecundă (MSP) pentru GCE observat sunt la fel de posibile.   

Dacă GCE observată se datorează materiei întunecate (DM) sau pulsarilor de milisecundă (MSP) va fi cunoscută atunci când observatoarele de raze gamma, precum Observatorul Rețelei de Telescopii Cherenkov (CTAO) și Observatorul Sudic de Raze Gamma cu Câmp Larg (SWGO), își vor finaliza studiile asupra razelor tera-gamma în viitor. Razele gamma produse ca produs de anihilare a materiei întunecate (DM) în centrul galactic ar fi fotoni de energie ultra-înaltă, cu un nivel de energie extrem de ridicat, de aproximativ 0.1 tera-electron-volți (TeV). Telescoapele standard cu raze gamma nu pot detecta direct acești fotoni de înaltă energie. Razele tera-gamma vor fi o țintă importantă pentru viitoarele observatoare de raze gamma, precum CTAO și SWGO.  

Acest studiu reprezintă un pas înainte în detectarea materiei întunecate în spațiu prin intermediul produșilor săi de anihilare, însă prezența materiei întunecate în centrul galactic ar necesita confirmare de către observatoarele de raze gamma de ultra-înaltă energie, cum ar fi CTAO sau SWGO, în viitor. Un progres mult mai semnificativ în știința materiei întunecate ar fi detectarea directă a oricărei particule DM.  

*** 

Referinte:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK și colab. Noi abordări pentru detectarea materiei întunecate. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. și Rossib N. 2024. Detecția directă a materiei întunecate: o analiză critică. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Instituto de Física Corpuscular. În căutarea materiei întunecate: o nouă abordare pentru detectarea invizibilului. 22 august 2025. Disponibil la https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM și colab. 2025. Morfologia excesivă a materiei întunecate în simulările galaxiei Calea Lactee în centrul galactic Fermi-LAT. Physical Review Letters. 135, 161005. Publicat pe 16 octombrie 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Versiune preprint la arXiv. Trimisă pe 8 august 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Universitatea Johns Hopkins. Știri – O strălucire misterioasă în Calea Lactee ar putea fi o dovadă a materiei întunecate. Publicat pe 16 octombrie 2025. Disponibil la https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Institutul Leibniz pentru Astrofizică. Știri – Calea Lactee prezintă un exces de raze gamma din cauza anihilării materiei întunecate. Publicat pe 17 octombrie 2025. Disponibil la https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Telescopul spațial Fermi cu raze gamma. Disponibil la https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Observatorul cu telescoape Cherenkov (CTAO). Disponibil la https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Observatorul sudic de raze gamma cu câmp larg (SWGO). Disponibil la https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Observatorul din Tartu. Partea întunecată a Universului. Disponibil la https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***