Tumeaine meie kodugalaktika keskmes 

Fermi teleskoop tegi selge vaatluse meie kodugalaktika keskmes liigse γ-kiirguse kohta, mis tundus mittesfääriline ja lapik. Seda liigset γ-kiirgust, mida nimetatakse Galaktilise Keskme Liigseks (GCE), võib pidada tumeaine võimalikuks tunnuseks, mis tekib nõrgalt interakteeruvate massiivsete osakeste (WIMP-ide) enesehävituse tulemusena, mis on tumeaine osakeste kandidaadid. Galaktilises keskmes täheldatud liigset γ-kiirgust võib aga põhjustada ka vanad millisekundilised pulsarid (MSP-d). Seni arvati, et tumeaine (DM) põhjustatud GCE morfoloogia on sfääriline. Hiljutine simulatsiooniuuring näitab, et DM-i põhjustatud gammakiirguse morfoloogia võib olla oluliselt mittesfääriline ja lapik. See tähendab, et nii tumeaine (DM) annihilatsiooni kui ka millisekundiliste pulsarite (MSP-de) hüpoteesid vaadeldava GCE jaoks on võrdselt võimalikud. Tumeaine (DM) annihilatsioonil tekkivatel gammakiirtel oleks äärmiselt kõrge energiatase, umbes 0.1 teraelektronvolti (TeV). Standardsed gammakiirguse teleskoobid ei suuda neid suure energiaga footoneid otse tuvastada. Seega oleks galaktilise keskme liia (GCE) tumeaine (DM) mudeli kinnitamine võimalik pärast tera-γ-kiirguse observatooriumide, näiteks Tšerenkovi teleskoopide massiivi observatooriumi (CTAO) ja Lõuna laiavälja gammakiirguse observatooriumi (SWGO), uuringute lõpetamist.

Tumeaine lugu sai alguse 1933. aastal, kui Fritz Zwicky täheldas, et Koomaparve kiiresti liikuvad galaktikad ei saa koos püsida ja stabiilsena püsida ilma täiendava nähtamatu aineta, mis avaldab piisavat gravitatsioonilist mõju, et peatada galaktikate lagunemine. Ta lõi termini "tumeaine", et viidata sellisele nähtamatule ainele. 1960. aastatel andis Vera Rubin olulise panuse meie arusaama tumeainest. Ta märkis, et Andromeeda ja teiste galaktikate välisservadel olevad tähed pöörlevad sama kiirusega kui tähed keskpunkti poole. Kogu vaadeldava aine antud summa korral peaks galaktika laiali lendama, mis eeldaks mingi täiendava nähtamatu aine olemasolu, mis hoiab galaktikaid koos ja paneb need suurel kiirusel pöörlema. Tema Andromeeda galaktika pöörlemiskõverate mõõtmised andsid varaseimad tõendid tumeaine olemasolust.  

Nüüd me teame, et tumeaine ei interakteeru valguse ega elektromagnetilise jõuga. See ei neela, peegelda ega kiirga valgust ega muud elektromagnetilist kiirgust ning on nähtamatu, seetõttu nimetatakse seda pimedaks aineks. Kuid see koondub gravitatsiooniliselt ja avaldab gravitatsioonilist mõju tavalisele ainele ning nii üldiselt järeldatakse selle olemasolu kosmoses. Galaktikaid hoiab tasakaalus tumeaine gravitatsiooniline mõju, mis moodustab kuni 26.8% universumi massienergiast, samas kui kogu vaadeldav universum, sealhulgas kogu barüonne tavaline aine, millest me kõik koosneme, moodustab universumist vaid 4.9%. Ülejäänud 68.3% universumi massienergiast on tumeenergia.  

Pole teada, mis tumeaine tegelikult on. Selles aines pole fundamentaalseid osakesi. Standardmudel omavad tumeaine olemasoluks vajalikke omadusi. Võib-olla moodustavad tumeaine hüpoteetilised "supersümmeetrilised osakesed", mis on standardmudeli osakeste partnerid. Võib-olla on olemas paralleelne tumeaine maailm. WIMP-id (nõrgalt interakteeruvad massiivsed osakesed), aksionid või steriilsed neutriinod on hüpoteetilised osakesed, mis ulatuvad väljapoole standardmudelit ja on juhtivad kandidaadid. Selliste osakeste tuvastamisel pole aga veel edu saavutatud.  

On mitmeid projekte (näiteks XENONi eksperiment, DarkSide-20k projekt, EURECA eksperiment, ja RES-NOVA) on praegu käimas tumeaine osakeste otseseks tuvastamiseks. Need on enamasti vedela väärisgaasi detektorid või krüogeensed detektorid, mis on loodud tumeaine osakeste vastastikmõjust tulenevate nõrkade signaalide tuvastamiseks. Vaatamata paljudele uudsetele lähenemisviisidele pole ükski projekt veel suutnud ühtegi tumeaine osakest otse tuvastada. 

Tumeaine kaudsete tõendite saamiseks võib otsida tumeaine gravitatsioonilisi efekte, nagu Fritz Zwicky ja Vera Rubin tegid tumeaine avastamiseks, uurides, kuidas galaktikad püsivad koos vaatamata sellele, et nende kiirused on vaadeldava tavalise aine kohta ebaproportsionaalselt suured. Läätse (valguse painutamise) gravitatsioonilised efektid ja mõju tähtede liikumisele kosmoses võivad samuti anda kaudseid tõendeid tumeaine olemasolu kohta. Lisaks võivad tumeaine olemasolule viidata ka annihilatsiooniproduktid (nagu gammakiired, neutriinod ja kosmilised kiired), mis tekivad tumeaine osakeste kokkupõrkes kosmoses. Üks selline asukoht, kus tumeaine olemasolu ennustati tumeaine osakeste annihilatsiooniproduktide põhjal, on meie kodugalaktika Linnutee keskpunkt.  

Tumeaine tuvastamine meie kodugalaktika Linnutee keskel  

Linnutee (MW) keskmes oli märke liigsest hajusast mikrolaine kesksest kumamisest. Pakuti välja, et liigne kuma on tingitud WIMP-i tumeaine annihilatsioonis tekkivate relativistlike elektronide ja positronide sünkrotronkiirgusest, seega ennustati laiendatud hajusat γ-kiirgussignaali energiavahemikus kuni paar sada GeV. Seejärel tuvastas Fermi-Large Area Telescope (LAT) γ-kiirgussignaali, mis identifitseeriti kui galaktika keskme liias (GCE). Peagi mõisteti, et galaktika keskme liias (GCE) võib olla tingitud ka vanadest neutrontähtedest (millisekundilistest pulsaritest). Arvati, et GCE morfoloogia on oluline – sümmeetriline sfääriline GCE viitab tumeaine osakeste annihilatsioonist tulenevale γ-kiirgusele, samas kui GCE lamenenud morfoloogia viitab millisekundilistest pulsaritest (MSP) pärinevale γ-kiirgusele.  

Fermi-suure pindalaga teleskoobi (LAT) ulatuslikul Linnutee galaktika keskpunkti vaatlusel ilmnes lame asfäärilisus. Tavaliselt seostatakse vaadeldavat asfäärilisust vanade tähtedega (MSP), kuid 16. oktoobril 2025 avaldatud uuringus jõuti järeldusele, et nii vanade tähtede (MSP) kui ka tumeaine (DM) annihilatsioonimudelite abil ennustatud tumeaine morfoloogiad on eristamatud.   

Tumeaine jaotuse uurimiseks viisid teadlased läbi Linnutee (MW) sarnaste galaktikate morfoloogia simulatsiooni. Nad leidsid, et galaktikate ümber ja ka galaktikate keskpiirkondade ümber olevad tumeaine halod olid harva sfäärilised, nagu anisotroopses mudelis eeldati. Selle asemel näitas analüüs kõigi galaktikate puhul lamenenud tumeaine tiheduse projektsiooni. Seda mittetelgsümmeetrilist tumeaine (DM) jaotust näitas ka Linnutee galaktika ühinev ajalugu universumi ajaloo esimese kolme miljardi aasta jooksul. GCE vaadeldav morfoloogia on keskpiirkonnas lamenenud, mida üldiselt peetakse vanade tähtede (MSP) jaotuse iseloomulikuks tunnuseks. Uus uuring on näidanud, et tumeaine (DM) genereerib sarnase kastjaotuse. Seega on nii tumeaine (DM) annihilatsioonide kui ka millisekundiliste pulsarite (MSP) hüpoteesid vaadeldava GCE jaoks võrdselt võimalikud.   

Kas vaadeldav gammakiirguse efekt on tingitud tumeainest (DM) või millisekundilistest pulsaritest (MSP-dest), selgub tulevikus, kui γ-kiirguse observatooriumid, näiteks Tšerenkovi teleskoopide massiivi observatoorium (CTAO) ja Lõuna laiavälja gammakiirguse observatoorium (SWGO), oma teragammakiirguse uuringud lõpetavad. Galaktilises keskmes tumeaine (DM) annihilatsiooniproduktina tekkivad gammakiired on ülikõrge energiaga footonid, mille energiatase on äärmiselt kõrge, umbes 0.1 teraelektronvolti (TeV). Standardsed gammakiirguse teleskoobid ei suuda neid kõrge energiaga footoneid otse tuvastada. Teragammakiired saavad olema oluliseks sihtmärgiks tulevastele γ-kiirguse observatooriumidele, nagu CTAO ja SWGO.  

See uuring on samm edasi tumeaine tuvastamisel kosmoses selle annihilatsioonisaaduste kaudu, kuid tumeaine olemasolu galaktika keskmes vajaks tulevikus kinnitust ülikõrge energiaga γ-kiirguse observatooriumide, näiteks CTAO või SWGO poolt. Palju olulisem edasiminek tumeaine teaduses oleks mis tahes DM-osakese otsene tuvastamine.  

*** 

viited:  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK jt. Uued lähenemisviisid tumeaine tuvastamiseks. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. ja Rossib N. 2024. Tumeaine otsene tuvastamine: kriitiline ülevaade. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. Korpusfüüsika instituut. Tumeaine otsingul: uus lähenemisviis nähtamatu avastamiseks. 22. august 2025. Saadaval aadressil https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM jt 2025. Fermi-LAT galaktika keskuse tumeaine liigne morfoloogia Linnutee galaktika simulatsioonides. Physical Review Letters. 135, 161005. Avaldatud 16. oktoobril 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Eeltrüki versioon arXiv-is. Esitatud 8. augustil 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. Johns Hopkinsi Ülikool. Uudised – Linnutee salapärane kuma võib viidata tumeaine olemasolule. Postitatud 16. oktoobril 2025. Saadaval aadressil https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. Leibnizi Astrofüüsika Instituut. Uudised – Linnutee näitab tumeaine hävimisest tingitud gammakiirguse liigset esinemist. Postitatud 17. oktoobril 2025. Saadaval aadressil https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. Fermi gammakiirguse kosmoseteleskoop. Saadaval aadressil https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. Tšerenkovi teleskoopmassiivi observatoorium (CTAO). Saadaval aadressil https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. Lõuna laiaväljaga gammakiirguse observatoorium (SWGO). Saadaval aadressil https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. Tartu Observatoorium. Universumi tume pool. Saadaval aadressil https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***