Mörk materia i centrum av vår hemgalax 

Fermi-teleskopet gjorde tydliga observationer av överskott av γ-strålning i centrum av vår hemgalax, som verkade icke-sfärisk och tillplattad. Detta överskott av γ-strålning, kallat Galactic Center Excess (GCE), är ett möjligt tecken på mörk materia som uppstår som en produkt av självförintelse av svagt växelverkande massiva partiklar (WIMP), en kandidat bland mörk materiapartiklar. Emellertid kan överskottet av γ-strålning som observerats i galaxens centrum också bero på gamla millisekundpulsarer (MSP). Hittills har man ansett att GCE-morfologin på grund av mörk materia (DM) skulle vara sfärisk. En nyligen genomförd simuleringsstudie visar att gammastrålarnas morfologi på grund av DM skulle kunna vara betydligt icke-sfärisk och tillplattad. Detta innebär att både hypoteser om mörk materia (DM)-förintelse och millisekundpulsarer (MSP) för den observerade GCE är lika möjliga. Gammastrålarna som produceras vid förintelsen av mörk materia (DM) skulle ha en extremt hög energinivå på cirka 0.1 teraelektronvolt (TeV). Standardgammastrålningsteleskop kan inte detektera dessa högenergifotoner direkt. Därför skulle bekräftelse av mörk materiamodellen (DM) av galaktiskt centrumöverskott (GCE) vara möjlig efter att studier av tera-γ-strålningsobservatorier som Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) och Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) har slutförts.

Historien om mörk materia började 1933 när Fritz Zwicky observerade att de snabbt rörliga galaxerna i Coma-klustret inte kan hålla ihop och förbli stabila utan närvaro av ytterligare materia som på något sätt är osynlig men utövar tillräcklig gravitationseffekt för att hindra galaxer från att falla isär. Han myntade termen "mörk materia" för att hänvisa till sådan osynlig materia. På 1960-talet gjorde Vera Rubin ett betydelsefullt bidrag till vår förståelse av mörk materia. Hon noterade att stjärnorna vid Andromedagalaxernas och andra galaxers ytterkanter roterade med en hastighet lika snabb som stjärnornas hastigheter mot centrum. För den givna summan av all observerad materia borde galaxen ha flög isär, vilket krävde närvaron av ytterligare osynlig materia som håller ihop galaxerna och får dem att rotera med höga hastigheter. Hennes mätningar av rotationskurvorna för Andromedagalaxen gav de tidigaste bevisen på mörk materia.  

Nu vet vi att mörk materia inte interagerar med ljus eller elektromagnetisk kraft. Den varken absorberar, reflekterar eller avger ljus eller någon annan elektromagnetisk strålning och är osynlig, därför kallad mörk. Men den klusterar sig gravitationellt och har en gravitationseffekt på vanlig materia, och det är så dess närvaro i rymden generellt antas. Galaxer hålls samman i jämvikt av gravitationseffekten från den mörka materian, som utgör så mycket som 26.8 % av universums massenergiinnehåll, medan hela det observerbara universum, inklusive all den baryoniska vanliga materian som vi alla består av, endast utgör 4.9 % av universum. De återstående 68.3 % av universums massenergiinnehåll är mörk energi.  

Det är inte känt vad mörk materia egentligen är. Inga fundamentala partiklar i Standardmodellen har egenskaper som krävs för att vara mörk materia. Kanske är det hypotetiska "supersymmetriska partiklar" som är partners till partiklarna i standardmodellen som bildar mörk materia. Kanske finns det en parallell värld av mörk materia. WIMP (svagt interagerande massiva partiklar), axioner eller sterila neutriner är hypoteser om partiklar bortom standardmodellen som är ledande kandidater. Emellertid har ingen framgång uppnåtts ännu med att detektera sådana partiklar.  

Det finns flera projekt (t.ex. XENON-experiment, DarkSide-20k-projektet, EURECA-experiment, och RES-NOVA) som för närvarande pågår för direkt detektion av mörka materiapartiklar. Dessa är mestadels flytande ädelgasdetektorer eller kryogena detektorer som är utformade för att detektera svaga signaler från interaktioner mellan mörka materiapartiklar. Trots många nya metoder har inget projekt ännu kunnat direkt detektera någon mörk materiapartikel. 

För indirekta bevis på mörk materia kan man leta efter gravitationseffekter av mörk materia, som Fritz Zwicky och Vera Rubin gjorde för att upptäcka mörk materia genom att studera hur galaxer hålls samman trots att de har oproportionerligt höga hastigheter jämfört med den observerade vanliga materian. Gravitationseffekterna av linsning (ljusets böjning) och effekter på stjärnors rörelse i rymden kan också ge indirekta bevis på närvaron av mörk materia. Dessutom kan annihilationsprodukter (såsom gammastrålar, neutriner och kosmisk strålning) som skapas när mörka materiapartiklar kolliderar med varandra i rymden också indikera närvaron av mörk materia. En sådan plats där mörk materia förutspåddes baserat på produkter av annihilation av mörka materiapartiklar är centrum för vår hemgalax Vintergatan.  

Upptäckt av mörk materia i centrum av vår hemgalax Vintergatan  

Det fanns tecken på ett överskott av diffust mikrovågsljus i Vintergatans centrum (MW). Det överskottsljuset föreslogs bero på synkrotronemission från relativistiska elektroner och positroner som genereras vid WIMP-annihilation av mörk materia, varför en utökad diffus γ-strålningssignal i energiområdet upp till några hundra GeV förutspåddes. Därefter detekterade Fermi-Large Area Telescope (LAT) γ-strålningssignalen som identifierades som Galactic Center Excess (GCE). Snart insåg man att Galactic Center Excess (GCE) också kunde bero på gamla neutronstjärnor (millisekundpulsarer). Man trodde att morfologin hos GCE skulle vara viktig – en symmetrisk sfärisk formad GCE skulle indikera γ-strålningsemission från annihilation av mörk materia-partiklar (DM-partiklar), medan en tillplattad morfologi hos GCE skulle tyda på γ-strålningsemission från millisekundpulsarer (MSP).  

Omfattande observationer av Vintergatans galaxcentrum med Fermi-Large Area Telescope (LAT) avslöjade en tillplattad asfäricitet. Vanligtvis skulle man associera den observerade asfäriciteten med gamla stjärnor (MSP), men en nyligen publicerad studie den 16 oktober 2025 har dragit slutsatsen att de GCE-morfologier som förutsägs av både gamla stjärnor (MSP) och mörk materia (DM) annihilationsmodeller är oskiljbara.   

För att studera distributionen av mörk materia genomförde forskarna simuleringar av morfologin hos MW (Vintergatan)-liknande galaxer. De fann att halos av mörk materia runt galaxerna såväl som runt galaxernas centrala regioner sällan var sfäriska, vilket antas i en anisotrop modell. Istället visade analysen en tillplattad projektion av mörk materia-densitet för alla galaxer. Denna icke-axelsymmetriska fördelning av mörk materia (DM) visades också av Vintergatans sammanslagningshistoria under de första tre miljarder åren i universums historia. Den observerade morfologin för mörk materia (GM) är tillplattad över den centrala regionen, vilket allmänt anses vara karakteristiskt för distributionen av gamla stjärnor (MSP). Den nya studien har visat att mörk materia (DM) genererar en liknande fyrkantig fördelning. Således är både hypoteser om mörk materia (DM)-annihilationer och millisekundpulsarer (MSP) för den observerade mörka materia-fördelningen lika möjliga.   

Huruvida den observerade GCE beror på mörk materia (DM) eller millisekundpulsarer (MSP) skulle vara känt när γ-strålningsobservatorier som Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) och Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) i framtiden slutför sina tera-gammastrålningsstudier. De gammastrålar som produceras som en annihilationsprodukt av mörk materia (DM) i galaxens centrum skulle vara ultrahögenergifotoner med en extremt hög energinivå på cirka 0.1 teraelektronvolt (TeV). Standardgammastrålningsteleskop kan inte detektera dessa högenergifotoner direkt. Tera-gammastrålar kommer att bli ett viktigt mål för framtida γ-strålningsobservatorier som CTAO och SWGO.  

Denna studie är ett steg framåt i detektionen av mörk materia i rymden genom dess annihilationsprodukter, men närvaron av mörk materia i galaxens centrum skulle kräva bekräftelse av ultrahögenergiska gammastrålningsobservatorier som CTAO eller SWGO i framtiden. Mycket mer betydande framsteg inom vetenskapen om mörk materia skulle vara direkt detektion av vilken DM-partikel som helst.  

*** 

Referenser:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK et al. Nya metoder för detektering av mörk materia. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. och Rossib N. 2024. Direkt detektion av mörk materia: en kritisk granskning. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Instituto de Física Corpuscular. På jakt efter mörk materia: en ny metod för att upptäcka det osynliga. 22 augusti 2025. Tillgänglig på https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM, et al 2025. Fermi-LAT Galactic Center Överskottsmorfologi av mörk materia i simuleringar av Vintergatan. Physical Review Letters. 135, 161005. Publicerad 16 oktober 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Förtryckt version på arXiv. Inskickad 8 augusti 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Johns Hopkins University. Nyheter – Mystisk glöd i Vintergatan kan vara bevis på mörk materia. Publicerad 16 oktober 2025. Tillgänglig på https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Leibniz-institutet för astrofysik. Nyheter – Vintergatan visar överskott av gammastrålar på grund av förintelse av mörk materia. Publicerad 17 oktober 2025. Tillgänglig på https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Fermi Gammastrålningsteleskop. Tillgänglig på https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

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

9. Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Tillgänglig på https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Tartuobservatoriet. Universums mörka sida. Tillgänglig på https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***