Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Wien hat kürzlich mithilfe maschineller Lerntechnologie eine neue Analyse des mysteriösen Gammastrahlenglühens durchgeführt, das seit langem im Zentrum der Milchstraße existiert. Die Ergebnisse zeigen, dass dunkle Materie immer noch eine wichtige mögliche Quelle dieses Signals ist und nicht ausgeschlossen werden kann. Relevante Forschungsarbeiten wurden in Zusammenarbeit zwischen der Universität Wien und dem Lawrence Berkeley National Laboratory in den Vereinigten Staaten durchgeführt und in Physical Review Letters veröffentlicht.
Dieses Gammastrahlenglühen, auch „Galactic Center Excess“ (GCE) genannt, ist eine schwache kugelförmige Strahlung, die nahe dem Zentrum der Milchstraße verteilt ist und sich über Tausende von Lichtjahren erstreckt. Seit seiner Entdeckung ist seine Ursache in der Astrophysik-Gemeinschaft Gegenstand endloser Debatten. Die bestehenden Mainstream-Erklärungen umfassen zwei Hauptrichtungen: Eine ist das Gammastrahlensignal, das durch Selbstvernichtung dunkler Materie erzeugt wird, und die andere stammt von einer großen Gruppe schnell rotierender Neutronensterne wie Millisekundenpulsaren, die noch nicht einzeln aufgelöst wurden. Allerdings konnten jahrelange Beobachtungen und Analysen nie schlüssige Antworten auf diese beiden Szenarien liefern.
Die Schwierigkeit besteht laut den Forschern darin, dass das galaktische Zentrum eine der komplexesten, hellsten und dichtesten Regionen am gesamten Gammastrahlenhimmel ist. Verschiedene Strahlungsquellen überlappen einander, was die Analyse der Signalbeschaffenheit besonders schwierig macht. In der Vergangenheit bevorzugte die statistische Analyse im Allgemeinen eine „Punktquellen“-Erklärung, was bedeutet, dass diese überschüssige Strahlung hauptsächlich von zahlreichen dichten Objekten stammt, die heller sind, aber nicht einzeln aufgelöst werden können. Allerdings verwendeten solche Studien im Allgemeinen nur Informationen über die räumliche Verteilung von Photonen am Himmel.
Um diesen Mangel auszugleichen, baute das neue Forschungsteam ein Modell für maschinelles Lernen und trainierte es mit mehr als einer Million Sätzen simulierter Gammastrahlen-Beobachtungsdaten, sodass es gleichzeitig die räumliche Verteilung und die Energiespektruminformationen von Photonen im gleichen Rahmen analysieren konnte. Dies ist das erste Mal, dass die Schlüsselinformationen der Photonenenergie systematisch in die statistische Analyse des maschinellen Lernens zum Thema übermäßige Strahlung im galaktischen Zentrum einbezogen werden, was dazu beitragen wird, verschiedene Szenarien wie dunkle Materie und Millisekundenpulsare umfassender zu vergleichen.
Nach dem Hinzufügen von Informationen zum Energiespektrum änderten sich die Analyseergebnisse erheblich. Frühere Untersuchungen gingen davon aus, dass die Signalquelle relativ hell sein sollte, wenn es sich um eine Gruppe von Punktquellen handelt. Sie sind jedoch durch die Auflösung des Instruments begrenzt und konnten nicht einzeln identifiziert werden. Die neuesten Ergebnisse zeigen, dass diese Punktquellen, wenn sie tatsächlich Millisekundenpulsare sind, viel schwächer sein müssen als bisher angenommen, sodass ihre statistischen Eigenschaften kaum von der diffusen Strahlung zu unterscheiden sind, die durch die Vernichtung dunkler Materie entsteht.
Spezifische Schätzungen zeigen, dass sich die beobachtete überschüssige Strahlung mit Millisekundenpulsaren vollständig erklären lässt, wenn sich ihre Zahl in der Nähe des Zentrums der Milchstraße auf mindestens etwa 35.000 ansammelt, was weit über die in einigen frühen Studien angenommene Annahme von nur Hunderten bis Tausenden von Quellen hinausgeht. Dieses Ergebnis schwächt die Aussage, dass „traditionelle Punktquellengruppen allein alle Signale erklären können“, in gewissem Maße ab.
Teammitglieder sagen, dass die neue Analyse nicht beweist, dass dunkle Materie die wahre Ursache des Gammaglühens sein muss, aber sie untergräbt einen der Haupteinwände gegen frühere Vorschläge zur dunklen Materie. In einem maschinellen Lernrahmen, der die Photonenenergieverteilung berücksichtigt, ist es noch zu früh, um die Möglichkeit eines Beitrags durch die Vernichtung dunkler Materie vollständig auszuschließen. Laut Wissenschaftlern bleibt der Ursprung der überschüssigen Strahlung im Zentrum der Milchstraße eine der am längsten diskutierten offenen Fragen der zeitgenössischen Astrophysik, und diese Arbeit zeigt, dass dunkle Materie immer noch ein überzeugender „Verdächtiger“ hinter diesem kosmischen Mysterium ist.