Mørk materie i sentrum av vår egen galakse 

Fermi-teleskopet gjorde tydelige observasjoner av overflødig γ-stråleutslipp i sentrum av vår hjemmegalakse, som virket ikke-sfærisk og flattrykt. Dette overskytende γ-strålingsutslippet, referert til som galaktisk sentrumsoverskudd (GCE), er et mulig tegn på mørk materie som oppstår som et produkt av selvannihilasjon av svakt vekselvirkende massive partikler (WIMP-er), en kandidat for mørk materie-partikler. Imidlertid kan overskuddet av γ-stråling som observeres i det galaktiske sentrum også skyldes gamle millisekundpulsarer (MSP-er). Hittil har det blitt antatt at GCE-morfologien på grunn av mørk materie (DM) ville være sfærisk. En nylig simuleringsstudie avslører at gammastrålemorfologien på grunn av DM kan være betydelig ikke-sfærisk og flattrykt. Dette betyr at både hypoteser om mørk materie (DM)-annihilasjon og millisekundpulsarer (MSP-er) for den observerte GCE er like mulige. Gammastrålene som produseres i annihilasjonen av mørk materie (DM) ville ha et ekstremt høyt energinivå på omtrent 0.1 teraelektronvolt (TeV). Standard gammastråleteleskoper kan ikke oppdage disse høyenergifotonene direkte. Derfor vil bekreftelse av mørk materie (DM)-modellen av galaktisk sentrumsoverskudd (GCE) være mulig etter at studier av tera-γ-stråleobservatorier som Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) og Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) er fullført.

Historien om mørk materie begynte i 1933 da Fritz Zwicky observerte at de raskt bevegelige galaksene i Coma-hopen ikke kan holde sammen og forbli stabile uten tilstedeværelse av ytterligere materie som på en eller annen måte er usynlig, men som utøver tilstrekkelig gravitasjonseffekt til å hindre galakser i å falle fra hverandre. Han skapte begrepet «mørk materie» for å referere til slik usynlig materie. På 1960-tallet ga Vera Rubin et banebrytende bidrag til vår forståelse av mørk materie. Hun bemerket at stjernene i ytterkantene av Andromeda og andre galakser roterte med en hastighet like rask som stjernenes hastigheter mot sentrum. For den gitte summen av all observert materie, burde galaksen ha fløyet fra hverandre, noe som nødvendiggjorde tilstedeværelsen av ytterligere usynlig materie som holder galaksene sammen og får dem til å rotere i høye hastigheter. Hennes målinger av rotasjonskurver for Andromedagalaksen ga de tidligste bevisene på mørk materie.  

Nå vet vi at mørk materie ikke samhandler med lys eller elektromagnetisk kraft. Den absorberer, reflekterer eller sender ikke ut lys eller annen elektromagnetisk stråling, og er usynlig, derfor referert til som mørk. Men den klynger seg sammen av gravitasjon og har en gravitasjonseffekt på vanlig materie, og det er slik dens tilstedeværelse i rommet vanligvis antydes. Galakser holdes sammen i likevekt av gravitasjonseffekten fra mørk materie, som utgjør så mye som 26.8 % av universets masseenergiinnhold, mens hele det observerbare universet, inkludert all den baryoniske vanlige materien som vi alle er bygd opp av, bare utgjør 4.9 % av universet. De resterende 68.3 % av universets masseenergiinnhold er mørk energi.  

Det er ikke kjent hva mørk materie egentlig er. Ingen fundamentale partikler i Standard modell har egenskaper som trengs for å være mørk materie. Kanskje hypotetiske «supersymmetriske partikler» som er partnere til partiklene i standardmodellen, lager mørk materie. Kanskje finnes det en parallell verden av mørk materie. WIMP-er (svake vekselvirkende massive partikler), aksioner eller sterile nøytrinoer er hypotetiske partikler utenfor standardmodellen som er ledende kandidater. Imidlertid har det ennå ikke blitt oppnådd noen suksess med å oppdage slike partikler.  

Det finnes flere prosjekter (som f.eks. XENON-eksperimentet, DarkSide-20k-prosjektet, EURECA-eksperiment, og RES-NOVA) som for tiden er under arbeid for direkte deteksjon av mørke materiepartikler. Dette er for det meste flytende edelgassdetektorer eller kryogene detektorer som er utviklet for å oppdage svake signaler fra interaksjoner mellom mørke materiepartikler. Til tross for mange nye tilnærminger har imidlertid ingen prosjekter vært i stand til å direkte oppdage noen mørke materiepartikkel ennå. 

For indirekte bevis på mørk materie kan man se etter gravitasjonseffekter av mørk materie, slik Fritz Zwicky og Vera Rubin gjorde for å oppdage mørk materie ved å studere hvordan galakser holdes sammen til tross for at de har uforholdsmessig høye hastigheter for den observerte vanlige materien. Gravitasjonseffektene av linsing (bøying av lys) og effekter på stjerners bevegelse i rommet kan også gi indirekte bevis på tilstedeværelsen av mørk materie. I tillegg kan annihilasjonsprodukter (som gammastråler, nøytrinoer og kosmisk stråling) som dannes når mørke materiepartikler kolliderer med hverandre i rommet, også indikere tilstedeværelsen av mørk materie. Et slikt sted der mørk materie ble forutsagt basert på produkter av annihilasjon av mørke materiepartikler er sentrum av vår hjemmegalakse Melkeveien.  

Deteksjon av mørk materie i sentrum av vår hjemgalakse Melkeveien  

Det var indikasjoner på en overdreven diffus mikrobølgeglød i sentrum av Melkeveien (MW). Den overdrevne gløden ble foreslått å skyldes synkrotronutslipp fra relativistiske elektroner og positroner generert i WIMP-annihilasjon av mørk materie, og derfor ble et utvidet diffust γ-strålesignal i energiområdet opptil noen få hundre GeV forutsagt. Deretter oppdaget Fermi-Large Area Telescope (LAT) γ-strålesignalet, som ble identifisert som det galaktiske sentrumsoverskuddet (GCE). Snart ble det innsett at det galaktiske sentrumsoverskuddet (GCE) også kunne skyldes gamle nøytronstjerner (millisekundpulsarer). Man trodde at morfologien til GCE ville være viktig – en symmetrisk sfærisk formet GCE ville være en indikasjon på γ-stråleutslipp fra annihilasjon av mørk materie (DM)-partikler, mens en flatet morfologi av GCE ville være et tegn på γ-stråleutslipp fra millisekundpulsarer (MSP).  

Omfattende observasjoner av Melkeveiens galaktiske sentrum med Fermi-Large Area Telescope (LAT) avdekket en avflatet asfæriskhet. Vanligvis ville man assosiere den observerte asfæriske strukturen med gamle stjerner (MSP), men en nylig studie publisert 16. oktober 2025 har konkludert med at GCE-morfologiene som er forutsagt av både gamle stjerner (MSP) og mørk materie (DM) annihilasjonsmodeller, ikke kan skilles fra hverandre.   

For å studere fordelingen av mørk materie, utførte forskerne simuleringer av morfologien til MW (Melkeveien)-lignende galakser. De fant at mørk materie-haloene rundt galaksene så vel som rundt de sentrale områdene av galaksene sjelden var sfæriske, slik det antas i en anisotropisk modell. I stedet viste analysen en flatet projeksjon av mørk materie-tetthet for alle galaksene. Denne ikke-aksesymmetriske mørk materie (DM)-fordelingen ble også vist ved sammensmeltingshistorien til Melkeveien i løpet av de første tre milliarder årene i universets historie. Den observerte morfologien til mørk materie (GM) er flatet ut over den sentrale regionen, noe som generelt antas å være karakteristisk for fordeling av gamle stjerner (MSP). Den nye studien har vist at mørk materie (DM) genererer en lignende firkantet fordeling. Dermed er både hypoteser om mørk materie (DM)-annihilasjoner og millisekundpulsarer (MSP-er) for den observerte mørk materie (GM) like mulige.   

Hvorvidt den observerte GCE skyldes mørk materie (DM) eller millisekundpulsarer (MSP-er), vil bli kjent når γ-stråleobservatorier som Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) og Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) fullfører sine tera-gammastrålestudier i fremtiden. Gammastrålene som produseres som et annihilasjonsprodukt av mørk materie (DM) i det galaktiske sentrum, vil være ultrahøyenergifotoner med et ekstremt høyt energinivå på omtrent 0.1 teraelektronvolt (TeV). Standard gammastråleteleskoper kan ikke oppdage disse høyenergifotonene direkte. Tera-gammastråler kommer til å bli et viktig mål for fremtidige γ-stråleobservatorier som CTAO og SWGO.  

Denne studien er et skritt fremover i deteksjon av mørk materie i rommet gjennom dens annihilasjonsprodukter. Tilstedeværelsen av mørk materie i det galaktiske sentrum vil imidlertid kreve bekreftelse fra ultrahøyenergi-γ-stråleobservatorier som CTAO eller SWGO i fremtiden. Mye mer betydelig fremskritt innen vitenskapen om mørk materie ville være direkte deteksjon av enhver DM-partikkel.  

*** 

Referanser:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK et al. Nye tilnærminger til deteksjon av mørk materie. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. og Rossib N. 2024. Direkte deteksjon av mørk materie: en kritisk gjennomgang. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Instituto de Física Corpuscular. På jakt etter mørk materie: en ny tilnærming til å oppdage det usynlige. 22. august 2025. Tilgjengelig på https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM, et al. 2025. Fermi-LAT galaktisk senter: Overflødig morfologi av mørk materie i simuleringer av Melkeveisgalaksen. Physical Review Letters. 135, 161005. Publisert 16. oktober 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Forhåndstrykkversjon på arXiv. Innsendt 8. august 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Johns Hopkins University. Nyheter – Mystisk glød i Melkeveien kan være bevis på mørk materie. Publisert 16. oktober 2025. Tilgjengelig på https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Leibniz-instituttet for astrofysikk. Nyheter – Melkeveien viser gammastråleoverskudd på grunn av mørk materie-utslettelse. Publisert 17. oktober 2025. Tilgjengelig på https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Fermi Gammastråle-romteleskop. Tilgjengelig på https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Tilgjengelig på https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Det sørlige vidfelts gammastråleobservatoriet (SWGO). Tilgjengelig på https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Tartu-observatoriet. Universets mørke side. Tilgjengelig på https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***