Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Wenen heeft onlangs machine learning-technologie gebruikt om een nieuwe analyse uit te voeren van de mysterieuze gammastraling die al lange tijd in het centrum van de Melkweg bestaat. De resultaten laten zien dat donkere materie nog steeds een belangrijke kandidaatbron voor dit signaal is en niet kan worden uitgesloten. Relevant onderzoek werd voltooid in samenwerking tussen de Universiteit van Wenen en het Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten, en werd gepubliceerd in Physical Review Letters.
Deze gammastraalgloed, "Galactic Center Excess" (GCE) genoemd, is een zwakke bolvormige straling die zich nabij het centrum van de Melkweg verspreidt en zich over duizenden lichtjaren uitstrekt. Sinds de ontdekking ervan is de oorzaak ervan een onderwerp van eindeloos debat geweest in de astrofysica-gemeenschap. De bestaande mainstream-verklaringen omvatten twee belangrijke richtingen: de ene is het gammastralingssignaal dat wordt gegenereerd door zelfvernietigende donkere materie, en de andere is afkomstig van een grote groep snel roterende neutronensterren zoals millisecondepulsars die niet individueel zijn opgelost. Jaren van observatie en analyse hebben echter nooit een sluitend antwoord kunnen geven op deze twee scenario’s.
De moeilijkheid, zo benadrukten de onderzoekers, is dat het galactische centrum een van de meest complexe, heldere en drukke gebieden aan de hele gammastralingshemel is. Verschillende stralingsbronnen overlappen elkaar, wat het ontleden van de aard van het signaal bijzonder lastig maakt. In het verleden gaf statistische analyse over het algemeen de voorkeur aan een "puntbron"-verklaring, dat wil zeggen dat deze overtollige straling voornamelijk afkomstig is van talrijke dichte objecten die helderder zijn maar niet afzonderlijk kunnen worden opgelost. Dergelijke onderzoeken maakten echter over het algemeen alleen gebruik van informatie over de ruimtelijke verdeling van fotonen in de lucht.
Om deze tekortkoming te compenseren, heeft het nieuwe onderzoeksteam een machinaal leermodel gebouwd en dit getraind met meer dan een miljoen sets gesimuleerde gammastralingsobservatiegegevens, waardoor het tegelijkertijd de ruimtelijke distributie en energiespectruminformatie van fotonen onder hetzelfde raamwerk kan analyseren. Dit is de eerste keer dat de belangrijkste informatie over fotonenenergie systematisch wordt opgenomen in statistische analyses van machinaal leren over de kwestie van overtollige straling in het galactische centrum, wat zal helpen om verschillende scenario's, zoals donkere materie en millisecondepulsars, uitgebreider te vergelijken.
Na het toevoegen van energiespectruminformatie veranderden de analyseresultaten aanzienlijk. Eerder onderzoek was van mening dat als de signaalbron een puntbrongroep is, deze relatief helder zouden moeten zijn, maar ze worden beperkt door de instrumentresolutie en zijn niet één voor één geïdentificeerd. De laatste resultaten laten zien dat als deze puntbronnen inderdaad millisecondepulsars zijn, ze veel zwakker moeten zijn dan eerder werd aangenomen, zodat hun statistische kenmerken vrijwel niet te onderscheiden zijn van de diffuse straling die wordt geproduceerd door de vernietiging van donkere materie.
Specifieke schattingen laten zien dat om de waargenomen overtollige straling met millisecondepulsars volledig te kunnen verklaren, hun aantal zich zou moeten ophopen tot minstens ongeveer 35.000 nabij het centrum van de Melkweg, wat de aanname van slechts honderden tot duizenden bronnen in sommige vroege studies ver overtreft. Dit resultaat verzwakt tot op zekere hoogte de bewering dat "traditionele puntbrongroepen alleen alle signalen kunnen verklaren".
Teamleden zeggen dat de nieuwe analyse niet bewijst dat donkere materie de ware oorzaak van de gammagloed moet zijn, maar het verzwakt een van de belangrijkste bezwaren tegen het voorstel voor donkere materie. In een machine learning-framework dat de distributie van fotonenenergie omvat, is het te vroeg om de mogelijkheid van een bijdrage van de vernietiging van donkere materie volledig uit te sluiten. Volgens wetenschappers blijft de oorsprong van overtollige straling in het centrum van de Melkweg een van de langst besproken open vragen in de hedendaagse astrofysica, en dit werk laat zien dat donkere materie nog steeds een overtuigende ‘verdachte’ is achter dit kosmische mysterie.