Sötét anyag: új elmélet az univerzum egyik legnagyobb rejtélyére

A misztikus sötét anyag mibenléte egyelőre még az asztrofizika és a kozmológia mind a mai napig megoldatlan nagy kérdésének számít. Egy friss tanulmány szerzői úgy vélik, hogy a hipotetikus sötét anyag által működtetett objektumok kicsi, de kimutatható fényforrások lehetnek a galaxis középpontjának közelében. Ha ez a feltevés helyes, akkor kulcsfontosságú lehet a megtalálásuk is a sötét anyag kérdésének végleges megoldásához.

Az univerzum egyik nagy megválaszolatlan kérdése a sötét anyag problematikája Fotó: Wikimedia Commons

A sötét anyag mibenléte a modern asztrofizika, illetve kozmológia egyik legnagyobb és egyelőre még megoldatlan kérdése. Az egyes számítások szerint az univerzum anyagának 23 százalékát alkotó sötét anyag létezésére több közvetett bizonyíték létezik, amelyre többek között a csillagok galaxisokon belüli sebességeloszlása, a galaxishalmazok középső régiójában lévő törpegalaxisok, a galaxishalmazokon belüli csillagvárosok sebességeloszlása és az ugyancsak a galaxishalmazokban lévő csillagközi anyag sűrűsége, hőmérsékleti, továbbá nyomáseloszlása, és e halmazoknak a kozmikus háttérsugárzásra kifejtett gravitációs lencsehatása alapján következtetnek.

                                                                                         A sötét anyag és a sötét energia eloszlása az univerzumban                                                                                                      Fotó: TrendinTech

Sötét anyag: az elmúlt fél évszázad egyik megválaszolatlan tudományos kérdése

A csillagok és galaxisok mozgása olyan gravitációs erők jelenlére utal, amelyek túl nagyok ahhoz, hogy csak és kizárólag a látható anyagból származzanak. A sötét anyag természetének meghatározása - amelynek léte egyelőre még csupán közvetett bizonyítékokon alapuló hipotetikus elképzelés -, az elmúlt fél évszázad egyik nagy és beteljesületlen küldetése.

                                                                                                                 A sötét anyag eloszlása a Tejútrendszer, vagyis a galaxisunk körül                                                                                                                                 Fotó: Wikimedia Commons

A sötét anyag olyan anyagfajta, amely semmilyen elektromágneses sugárzást nem bocsát ki, ezért csillagászati műszerekkel sem figyelhető meg közvetlenül. Jelenlétére csak bizonyos jelenségek alapján, így például a látható anyagra és a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzásra kifejtett gravitációs hatásából következtethetünk.

A számos ehhez kapcsolódó javaslat közül talán a WIMPS, vagyis a gyengén kölcsönható tömeges részecskék elmélete számít az egyik legkiemelkedőbb megközelítésnek. Azonban pont a közönséges anyaggal való gyenge kölcsönhatásuk miatt e részecskéket nagyon nehéz lenne kimutatni, ezért egyelőre még nem is találták meg őket. A sötét anyagról úgy gondolják, hogy a galaxis középpontjának közelében csoportosul mivel kitett a gravitációs erőknek, ezért szinte elkerülhetetlen, hogy ott legyen jelen a legnagyobb mennyiségben. Ha ez az elképzelés megalapozott és a WIMPS-ek teszik ki a sötét anyag jelentős részét, mindez azt is jelentheti, hogy másképp viselkednek ott ahol összekoncentrálódnak mint azokon a helyeken, ahol jobban szétszóródnak a kozmikus térben. 

                                       A Tejútrendszer központi vidéke a Gaia űrszondával                                                       Fotó: ESA

A Journal of Cosmology and Astroparticle Physics szaklapban megjelent tanulmányt jegyző tudósok szerint az lehet az egyik ilyen jól megkülönböztető és azonosítható viselkedésük, hogy olyan objektumokat is világításra gerjesztenek, amelyek máshol csak "hagyományos" barna törpék lehetnének.

A barna törpék olyan kozmikus objektumok, amelyeknek túl kicsi a tömege ahhoz, hogy a belsejükben stabil hidrogén-hélium fúzió jöjjön létre, és így valódi csillagokká váljanak. A keletkezési modellek szerint noha a magjukban valamikor elindult a magfúzió, de ez nem a hidrogén, hanem a lítium-vagy deutériumfúzió, amihez már 13 Jupiternek megfelelő tömeg is elegendő; ez a tömeg jelenti a barna törpék alsó tömeghatárát.

„A gravitációs kölcsönhatásban álló sötét anyagot a csillagok befoghatják, ami így felhalmozódhat bennük. Ha ez megtörténik, a (sötét anyag) kölcsönhatásba léphet önmagával és megsemmisülhet, energiát szabadítva fel, ami felmelegíti a csillagot” – mondja dr. Jeremy Sakstein, a Hawaii Egyetem munkatársa és a tanulmány egyik szerzője, akit az Ilf Science tudományos hírportál idéz.

Sötét, de nem fekete törpék

A csillagokat túltöltő hipotetikus sötét anyag jelenléte azonban csak rendkívül nehezen észlelhető. A csillag már eleve fényes, így nehéz megmondani, hogy a sötét anyag feltételezett elnyelése miatt válik-e melegebbé és fényesebbé. Másrészt, a barna törpék amelyek a Nap tömegének mindössze 1,2-8 százalékát kitevő objektumok, nem rendelkeznek elegendő gravitációs erővel ahhoz, hogy elindítsák magjukban a közönséges hidrogén fúzióját. 

                                                                                                                                                    Az atomszerkezet sematikus ábrája                                                                                                                                                           Fotó: Wikimedia Commons/AG Caesar

Így csak halványan izzanak a kialakulásukból származó hő hatására vagy - sokkal ritkábban -, a deutérium fúziója miatt, ami alacsonyabb nyomáson és hőmérsékleten is bekövetkezhet mint a közönséges hidrogén esetében.

A deutérium, vagy nehézhidrogén a hidrogén egyik ritka izotópja; átlagosan 6500 hidrogénatomra jut egyetlen deutérium. A deutérium atommagja egy protonból és egy neutronból áll, ezzel szemben a "közönséges" hidrogén atommagját csupán egyetlen proton alkotja.

A galaxis spirálkarjaiban lévő barna törpék valószínűleg összegyűjthetnek egy kis sötét anyagot, de korántsem annyit, hogy ez változást hozzon a működésükben. Sakstein és társai az új tanulmányukban úgy vélik, hogy  a galaxis központjának közelében viszont másként működhetnek ezek a folyamatok. „Minél több sötét anyag van egy csillag körül, annál többet tud befogni belőle” – mondja Sakstein.

                                                                                                                                                          Egy barna törpe művészi ábrája                                                                                                                                                              Fotó: NASA/JPL-CALTECH

 „És minél több sötét anyag kerül a csillag belsejébe, annál több energia termelődik a sötét anyag anhilációs megsemmisülése során” - fűzi hozzá a Hawaii Egyetem kutatója. Ami máshol barna törpe lenne így azzá válik, amit a csapat „sötét törpének” nevez és ami ironikus módon egyáltalán nem sötét, mivel a sötét anyag megsemmisüléséből felszabaduló energia fényként jelenik meg. Fontos kihangsúlyozni, hogy a tanulmányban bemutatott sötét törpe nem azonos a fekete törpével.

                                                                                                                                                         Egy fekete törpe művészi ábrája                                                                                                                                                           Fotó: Illinois State University

 Ez utóbbi olyan feltételezett égitest, ami egy Nap-méretű csillag fejlődésének a legvégső stádiumát, egy kihűlt fehér törpét jelent, ami már nem bocsát ki fényt magából és a sugárzása is csak alig haladja meg a kozmikus háttérsugárzás mértékét. Eddig még egyetlen fekete törpét sem sikerült felfedezni. A legelterjedtebb nézet szerint az univerzum keletkezése, vagyis az ősrobbanás óta eltelt 13,8 milliárd év ugyanis még nem volt elegendő arra, hogy a már létező fehér törpék teljesen kihűljenek.

A galaxis középpontjában rejtőzhet a hipotézis bizonyítéka

Ez az elképzelés azonban csak akkor működhet, ha a sötét anyag valóban WIMPS-ből, vagy valami ehhez hasonlóból áll ahelyett, hogy steril neutrínók, axionok vagy más részecskék építenék fel ahogyan azt más egyéb megközelítések javasolják. "Tehát ha találunk egy sötét törpét, akkor azonnal drámaian leszűkíthetjük a sötét anyag keresését is" -vélik a tanulmányt jegyző tudósok. De egy ilyen objektum megtalálása egyáltalán nem lenne könnyű feladat. A sötét törpék messze lennének a galaxis központi vidékén, vagyis egy intersztelláris porral eltakart és más objektumokkal zsúfolt régióban. 

                                   Az M64 galaxis asztrofotója. A galaxis spirálkarjaiban lévő sötét tömeg  csillagközi por és gázfelhők halmaza                                Fotó: NASA

Ami még rosszabb, hogy nem is nagyon különböznének a közönséges csillagoktól. „Volt néhány marker, de mi a lítium-7-et javasoltuk” -mondja dr. Jeremy Sakstein. A lítium-7 könnyen fúziónál a kisebb tömegű, elsősorban az életkoruk legelején járó csillagokban. Következésképpen kizárólag a legfiatalabb csillagokban mutatható ki észrevehető mennyiségben. A sötét törpék közül azonban csak a nehezebbek égethetnek lítium-7-et azt feltételezve, hogy a várt módon működnek - írják a tanulmány szerzői. Ez azt jelenti, hogy míg a nehezebb sötét törpék furcsán fényes vörös törpéknek tűnnének, léteznie kellene egy kisebb tömegű populációnak is, amelyet a lítium-7 jelenléte alapján lehetne megkülönböztetni.

                               Az asztrofizika és a kozmológia nagy és megválaszolatlan kérdése a sötét anyag mibenléte                                                 Fotó: NASA/JPL-Caltech

Tehát, ha lítium-7-et észlelünk a galaktikus központ közelében lévő csillagokban, erre az lehet a legvalószínűbb magyarázat, hogy ezek világító sötét törpék. Ez pedig közvetett bizonyítékként szolgálhatna arra, hogy a galaxis középpontjában nagy mennyiségben halmozódhatott fel a sötét anyag. A James Webb űrtávcső (JWST) képes lenne arra, hogy kimutassa a lítium-7 izotópot a galaktikus központ egy adott objektumában, de a szerzők egy statisztikai tesztet is javasolnak amit más és kevésbé nagy keresletnek kitett távcsövek segítségével is el lehetne végezni hipotézisük alátámasztására.

A tanulmány teljes terjedelmében, angol nyelven itt olvasható el.

A Journal of Cosmology and Astroparticle Physics szakfolyóiratban publikált tanulmány szerint:

• mivel a hipotetikus sötét anyagra is hat a gravitáció, a galaxis középpontjában nagyobb mennyiségben halmozódhat fel,
• ha gyengén kölcsönható tömeges részecskékből épül fel nagyobb részben, akkor ebben a gravitációs környezetben másként is viselkedik,
• a barna törpékbe elnyelődve az anhilációs folyamat ez utóbbiakat fényessé teheti,
• így ezek a világító sötét törpék újabb bizonyítékul szolgálhatnak a sötét anyag létezésére is.