Fermi-teleskopet foretog tydelige observationer af overskydende γ-stråleemission i centrum af vores hjemgalakse, som tilsyneladende ikke-sfærisk og fladtrykt. Dette overskydende γ-lys, der kaldes Galactic Center Excess (GCE), er et muligt tegn på mørkt stof, der opstår som et produkt af selvannihilation af svagt vekselvirkende massive partikler (WIMP'er), en kandidat til mørk stofpartikler. Det overskydende γ-lys, der observeres i det galaktiske centrum, kan dog også skyldes gamle millisekundpulsarer (MSP'er). Hidtil har det været antaget, at GCE-morfologien på grund af mørkt stof (DM) ville være sfærisk. En nylig simuleringsundersøgelse afslører, at gammastrålemorfologien på grund af DM kunne være betydeligt ikke-sfærisk og fladtrykt. Det betyder, at både hypoteser om mørk stof (DM)-annihilation og millisekundpulsarer (MSP'er) for den observerede GCE er lige mulige. De gammastråler, der produceres ved annihilation af mørkt stof (DM), ville have et ekstremt højt energiniveau på cirka 0.1 teraelektronvolt (TeV). Standard gammastråleteleskoper kan ikke detektere disse højenergifotoner direkte. Derfor vil bekræftelse af mørk stof (DM)-modellen af Galactic Center Excess (GCE) være mulig efter afslutningen af studier foretaget af tera γ-stråleobservatorier som Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) og Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO).
Historien om mørkt stof begyndte i 1933, da Fritz Zwicky observerede, at de hurtigt bevægende galakser i Coma-hoben ikke kan holde sammen og forblive stabile uden tilstedeværelsen af yderligere stof, der på en eller anden måde er usynligt, men som udøver tilstrækkelig tyngdekraftseffekt til at forhindre galakser i at falde fra hinanden. Han opfandt udtrykket "mørk stof" for at henvise til sådant usynligt stof. I 1960'erne ydede Vera Rubin et skelsættende bidrag til vores forståelse af mørkt stof. Hun bemærkede, at stjernerne i de ydre kanter af Andromeda og andre galakser roterede med en hastighed, der var lige så hurtig som stjernernes hastigheder mod centrum. For den givne sum af alt observeret stof burde galaksen være fløjet fra hinanden, hvilket nødvendiggjorde tilstedeværelsen af yderligere usynligt stof, der holder galakserne sammen og får dem til at rotere med høje hastigheder. Hendes målinger af rotationskurverne for Andromedagalaksen gav de tidligste beviser for mørkt stof.
Nu ved vi, at mørkt stof ikke vekselvirker med lys eller elektromagnetisk kraft. Det absorberer, reflekterer eller udsender ikke lys eller anden elektromagnetisk stråling og er usynligt, derfor kaldet mørkt stof. Men det klynger sig sammen ved hjælp af tyngdekraften og har en tyngdekraftseffekt på almindeligt stof, og det er sådan, dets tilstedeværelse i rummet generelt antages. Galakser holdes sammen i ligevægt af den tyngdekraftsmæssige effekt af mørkt stof, som udgør så meget som 26.8% af universets masseenergiindhold, hvorimod hele det observerbare univers, inklusive alt det baryoniske almindelige stof, som vi alle er opbygget af, kun udgør 4.9% af universet. De resterende 68.3% af universets masseenergiindhold er mørk energi.
Det vides ikke, hvad mørkt stof egentlig er. Ingen fundamentale partikler i Standardmodellen har de egenskaber, der er nødvendige for at være mørkt stof. Måske er det hypotetiske "supersymmetriske partikler", der er partnere til partiklerne i Standardmodellen, der danner mørkt stof. Måske findes der en parallel verden af mørkt stof. WIMP'er (svagt vekselvirkende massive partikler), axioner eller sterile neutrinoer er hypotetiske partikler ud over Standardmodellen, der er førende kandidater. Der er dog endnu ikke opnået succes med at detektere sådanne partikler.
Der er flere projekter (som f.eks. XENON-eksperiment, DarkSide-20k-projektet, EURECA-eksperiment, og RES-NOVA) i øjeblikket undervejs til direkte detektion af mørke stofpartikler. Disse er hovedsageligt flydende ædelgasdetektorer eller kryogene detektorer, der er designet til at detektere svage signaler fra interaktioner mellem mørke stofpartikler. Men på trods af mange nye tilgange har intet projekt endnu været i stand til direkte at detektere nogen mørk stofpartikel.
For indirekte beviser for mørkt stof kan man søge efter gravitationseffekter af mørkt stof, ligesom Fritz Zwicky og Vera Rubin gjorde for at opdage mørkt stof ved at studere, hvordan galakser holdes sammen på trods af at have hastigheder, der er uforholdsmæssigt høje i forhold til det observerede almindelige stof. Gravitationseffekterne af linsing (lysbøjning) og effekter på stjerners bevægelse i rummet kan også give indirekte beviser for tilstedeværelsen af mørkt stof. Derudover kan annihilationsprodukter (såsom gammastråler, neutrinoer og kosmisk stråling), der dannes, når mørke stofpartikler kolliderer med hinanden i rummet, også indikere tilstedeværelsen af mørkt stof. Et sådant sted, hvor mørkt stof blev forudsagt baseret på produkter af annihilation af mørke stofpartikler, er centrum for vores hjemmegalakse Mælkevejen.
Detektion af mørkt stof i midten af vores hjemgalakse Mælkevejen
Der var indikationer på en overdreven diffus mikrobølge-central glød i centrum af Mælkevejen (MW). Den overdrevne glød blev foreslået at skyldes synkrotronemission fra relativistiske elektroner og positroner genereret i WIMP-annihilation af mørkt stof, derfor blev et udvidet diffust γ-strålesignal i energiområdet op til et par hundrede GeV forudsagt. Efterfølgende detekterede Fermi-Large Area Telescope (LAT) γ-strålesignalet, som blev identificeret som Galactic Center Overflow (GCE). Snart blev det indset, at Galactic Center Overflow (GCE) også kunne skyldes gamle neutronstjerner (millisekundpulsarer). Man mente, at morfologien af GCE ville være vigtig - en symmetrisk sfærisk formet GCE ville være indikativ for γ-stråleemission fra annihilation af mørke stofpartikler (DM), mens en fladtrykt morfologi af GCE ville være tegn på γ-stråleemission fra millisekundpulsarer (MSP).
Omfattende observationer af Mælkevejens galaktiske centrum med Fermi-Large Area Telescope (LAT) afslørede en fladtrykt asfæriskhed. Normalt ville man forbinde den observerede asfæriskhed med gamle stjerner (MSP), men en nylig undersøgelse offentliggjort den 16. oktober 2025 har konkluderet, at de GCE-morfologier, der forudsiges af både gamle stjerner (MSP) og mørk stofs annihilationsmodeller (DM), ikke kan skelnes fra hinanden.
For at studere fordelingen af mørkt stof udførte forskerne simuleringer af morfologien af MW (Mælkevejen)-lignende galakser. De fandt, at de mørke stofhaloer omkring galakserne såvel som omkring galaksernes centrale områder sjældent var sfæriske, som antaget i den anisotropiske model. I stedet viste analysen en fladtrykt projektion af mørk stoftæthed for alle galakser. Denne ikke-aksesymmetriske fordeling af mørkt stof (DM) blev også vist ved Mælkevejsgalaksens fusionshistorie i de første tre milliarder år af universets historie. Den observerede morfologi af mørkt stof (GCE) er fladtrykt over den centrale region, hvilket generelt menes at være karakteristisk for fordeling af gamle stjerner (MSP). Den nye undersøgelse har vist, at mørkt stof (DM) genererer en lignende kasseformet fordeling. Således er både hypoteser om annihilationer af mørkt stof (DM) og hypoteser om millisekundpulsarer (MSP'er) for den observerede GCE lige mulige.
Om den observerede GCE skyldes mørkt stof (DM) eller millisekundpulsarer (MSP'er), vil være kendt, når γ-stråleobservatorier som Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) og Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) i fremtiden afslutter deres tera-gammastrålestudier. De gammastråler, der produceres som et annihilationsprodukt af mørkt stof (DM) i det galaktiske centrum, ville være ultrahøjenergifotoner med et ekstremt højt energiniveau på cirka 0.1 teraelektronvolt (TeV). Standard gammastråleteleskoper kan ikke detektere disse højenergifotoner direkte. Tera-gammastråler vil være et vigtigt mål for fremtidige γ-stråleobservatorier som CTAO og SWGO.
Denne undersøgelse er et skridt fremad i detektionen af mørkt stof i rummet gennem dets annihilationsprodukter, men tilstedeværelsen af mørkt stof i det galaktiske centrum vil i fremtiden kræve bekræftelse fra ultrahøjenergi-γ-stråleobservatorier som CTAO eller SWGO. Langt mere betydningsfulde fremskridt inden for videnskaben om mørkt stof ville være direkte detektion af enhver DM-partikel.
***
Referencer:
- Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK m.fl. Nye tilgange til detektion af mørkt stof. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4
- Misiaszeka M. og Rossib N. 2024. Direkte detektion af mørkt stof: en kritisk gennemgang. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201
- Instituto de Física Corpuscular. På jagt efter mørkt stof: en ny tilgang til at detektere det usynlige. 22. august 2025. Tilgængelig på https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible
- Muru MM, et al. 2025. Fermi-LAT Galaktisk Centers overskydende morfologi af mørkt stof i simuleringer af Mælkevejen. Physical Review Letters. 135, 161005. Udgivet 16. oktober 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Forhåndsudgave på arXiv. Indsendt 8. august 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314
- Johns Hopkins University. Nyheder – Mystisk glød i Mælkevejen kan være bevis på mørkt stof. Udgivet den 16. oktober 2025. Tilgængelig på https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/
- Leibniz Instituttet for Astrofysik. Nyheder – Mælkevejen viser overskud af gammastråler på grund af udslettelse af mørkt stof. Udgivet 17. oktober 2025. Tilgængelig på https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/
- Fermi Gammastråle-rumteleskop. Tilgængelig på https://science.nasa.gov/mission/fermi/
- Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Tilgængelig på https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/
- Det sydlige vidvinkelobservatorium for gammastråler (SWGO). Tilgængelig på https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub
- Tartu-observatoriet. Universets mørke side. Tilgængelig på https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe
***
, this excess γ-ray is a possible signature of dark matter arising as a product of self-annihilations of weakly interacting massive particles (WIMPs), a dark matter particle candidate. However, the excess γ-ray observed at the galactic centre may also be due to old millisecond pulsars (MSPs). Hitherto, it was held that the morphology GCE due to dark matter (DM) would be spherical. A recent simulation study reveals that gamma-ray morphology due to DM could be significantly nonspherical and flattened. This means both dark matter (DM) annihilations and millisecond pulsars (MSPs) hypotheses for the observed GCE are equally possible. The gamma rays produced in the annihilation of dark matter (DM) would have an extremely high energy level of approximately 0.1 tera-electron-volts (TeV). The standard gamma-ray telescopes cannot detect these high-energy photons directly. Hence, confirmation of dark matter (DM) model of Galactic Centre Excess (GCE) would be possible upon completion of studies by the tera γ-ray observatories like CTAO and SWGO.){kind=link}