Titokzatos, rekordot döntő sötét objektumot fedeztek fel egy Einstein-gyűrűben

Csillagászok meglepően kicsi sötét objektumot fedeztek fel egy távoli és torz fénygyűrűben. A különleges és rekordot döntő objektum felfedezése segíthet fényt deríteni a sötét anyag titokzatos mibenlétére, ami a kozmológia általános elméletére is komoly hatással lehet.

Egy Einstein-gyűrű művészi ábrája Fotó: Current Affairs

A titokzatos objektum a kutatók elsődleges értékelése szerint egy olyan sötét anyagból álló csomó lehet, amit csak a gravitációs lencsehatás tett megpillanthatóvá.

A titokzatos objektumot több rádióteleszkóppal vizsgálták egyszerre és így tudták kimutatni a gravitációs zavart az Einstein-gyűrűn belül (Fotó: Keck/EVN/GBT/VLBA / Live Science)

Titokzatos és rejtett objektum az univerzum határvidékéről

A rejtett objektumot, valószínűleg egy láthatatlan sötét anyagból álló csomót, a B1938+666-on belül észlelték. Ez egy úgynevezett „Einstein-gyűrű”, ami körülbelül 10 milliárd fényévnyire található a Földtől. A távoli világító kozmikus háló (amely a fekete-fehér képeken sötétnek tűnik) egy távoli galaxis fényéből áll, ami a gyűrű közepén lévő sötét pontnak látszó közelebbi előtér-galaxis körül meggörbült. Ez a jelenség a gravitációs lencsehatás következménye. 

A gravitációs lencsehatás létét Albert Einstein 1915-ben megfogalmazott és egy évvel később publikált általános relativitáselmélete vetett fel először. 

                   Albert Einstein az általános relativitáselmélet alapján jósolta meg teoretikusan a gravitációs lencsék létét                                         ( Fotó: Wikimedia Commons)

Einstein általános relativitáselmélete szerint a gravitáció a téridő görbültségének a geometriai következménye. Ebből következik a tér nagy tömegű objektumok általi meghajlítása, ami az ezek közelében egyenes vonalban haladó fényt is meggörbíti lencsehatást okozva.

A gravitációs lencsehatás nemcsak eltorzítja a fényt, hanem – az optikai lencsékhez hasonlóan – jelentősen fel is nagyítja. Amikor a gravitációs lencsehatás tárgya tökéletesen illeszkedik a távoli objektumhoz és a megfigyelőhöz, a fény kört alkot az előtérben lévő tárgy körül; ezt a jelenséget nevezik Einstein-gyűrűnek. A tökéletlen illeszkedés azonban más furcsa alakzatokat is létrehozhat, például kereszt és kérdőjel formákat, illetve cikkcakkokat és az egyes fénypontokat ugyanazon a képen belül meg is ismételheti.

A B1938+666 jelű kozmikus objektumot még az 1990-es években fedezték fel. Két új kutatásban azonban – amelyeket idén október 9-én publikáltak a Nature Astronomy és a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society szakfolyóiratokban –, a kutatók közelebbről is megvizsgálták a gravitációs lencse mögötti kozmikus objektumot, és finom imbolygást észleltek a külső gyűrűben, a rádióhullámok egyik kiemelkedő ívében.

A gravitációs lencsehatást szemléltető ábra (Fotó: Hubble Site / Wikimedia Commons)

 Hamar rájöttek, hogy a jelenség egy rejtőzködő objektum által okozott gravitációs zavar. Az objektum körülbelül egymilliószor nagyobb tömegűnek látszik a Napnál ami rendkívüli tömegnek tűnhet. 

Ez azonban hozzávetőleg még mindig 100-szor kisebb, mint a gravitációs lencse segítségével valaha észlelt legkisebb tömegű objektum. 

A tudósok a világ minden táján működő rádiómegfigyelő állomások, köztük a nyugat-virginiai Green Bank Telescope, az új-mexikói Very Long Baseline Array és az európai Very Long Baseline Interferometria Network adatainak kombinálásával fedezték fel ezt a furcsa kozmikus képződményt.

                           Az új kutatás egy rejtett sötét objektumot tárt fel egy távoli Einstein-gyűrű (fekete) világító rádióívében (vörös és sárga színben)                                             (Fotó: Keck/EVN/GBT/VLBA)

 A kapott észlelési információ azonban akkora mennyiségű, hogy a kutatóknak új módszert kellett kidolgozniuk az információtömeg rendszerezésre. „Az adatok annyira összetettek, hogy új numerikus megközelítéseket kellett kidolgoznunk a modellezésükhöz” – mondja Simona Vegetti, a németországi Max Planck Asztrofizikai Intézet csillagásza és mindkét új tanulmány társszerzője, akit a Live Science tudományos hírportál idéz. „Ez nem volt egyszerű feladat, mivel korábban ilyet még soha nem csináltak” – fűzte hozzá az asztrofizikus.

Az Einstein-gyűrűk lehetnek a legjobb eszközök a sötét anyag vizsgálatában

A kutatók biztosak benne, hogy az újonan azonosított objektum egy kis sötétanyag-csomó – vagyis annak a láthatatlan anyagnak a koncentrációja, ami az ismert univerzum kereken 27 százalékát teszi ki, és nem lép kölcsönhatásba a fénnyel.

          Hat galaxishalmaz-ütközés kollázsa sötétanyag-térképekkel. A halmazokat kutatás során figyelték meg, ami azt vizsgálta, hogyan viselkedik a sötét anyag a galaxishalmazokban az ütközéskor (Fotó: ESA/Hubble)

A sötét anyag az anyagnak egyik olyan különleges fajtája, ami a csillagászati műszerekkel nem figyelhető meg közvetlenül, mert semmilyen elektromágneses sugárzást nem bocsát ki, illetve nem nyel el. Az univerzumban való jelenlétére csak a látható anyagra és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra kifejtett gravitációs hatásból következtethetünk. A modellszámítások szerint az univerzum tömegének csupán a 4,6 százalékát teszi ki a látható anyag, ezzel szemben a sötét anyag aránya a világegyetemen belül 26,8 százalék, míg az univerzum tömegének fennmaradó hányadát a sötét energia teszi ki.

A felfedezés annyiban nem számít meglepőnek, hogy a gravitációs lencsehatás az egyetlen módja a sötét anyag érzékelésének, így az Einstein-gyűrűk adják a legjobb eszközt a sötét anyag vizsgálatához. Az ilyen elszigetelt sötétanyag-csomók megtalálása különösen hasznos lehet az úgynevezett „hideg sötétanyag-elmélet” teszteléséhez, amely szerint a sötét anyag csak akkor tud összecsomósodni, ha viszonylag lassan mozog és kevés energiát bocsát ki – írja a Space.com. csillagászati hírportál.

Egy Einstein-gyűrű asztrofotója (Fotó: Popular Science)

 A kutatók azt jósolják, hogy a sötétanyag-csomók sokkal gyakoribbak lehetnek az univerzumban, mint ahogy  jelenleg azt gondoljuk.

 „Arra számítunk, hogy minden galaxis, beleértve a saját Tejútrendszerünket is, tele van sötétanyag-csomókkal, de a megtalálásuk és a csillagász szakma meggyőzése arról, hogy léteznek, még rengeteg további munkát igényel” – véli Simona Vegetti. Eddig mindössze csak három másik hasonlóan kicsi potenciális sötétanyag-csomót azonosítottak, így a hipotézis igazolása, miszerint a sötétanyag-csomók léte nem unikális jelenség a világegyetemben, még számos további észlelést igényel, hogy az elmélet empirikusan is alátámasztható legyen.

A sötét anyag eloszlása az univerzumban (Fotó: NASA / Wikimedia Commons)

A sötét anyag jelenlétére utal többek között:

1. a csillagok sebességeloszlása a galaxisokban,
2. a törpegalaxisok léte a galaxishalmazok központi vidékén, amelyek a sötét anyag létezése nélkül szétesnének a nagyobb galaxisok árapály-erőinek hatására,
3. a galaxisok sebességeloszlása a galaxishalmazokon belül,
4. a csillagközi gáz sűrűség-, hőmérséklet- és nyomáseloszlása,
5. valamint a galaxishalmazok által a mikrohullámú háttérsugárzásra gyakorolt gravitációs lencsehatás.

Az új módszertan azonban megkönnyíti a meglévő Einstein-gyűrűk körüli további csomók észlelését, és az ismert gyűrűk száma is gyorsan növekszik a James Webb űrteleszkópnak köszönhetően, ami kivételesen jónak bizonyul a felfedezésükben. 

Az Einstein-gyűrűk kiváló eszközök a sötét anyag kutatásához (Fotó: NASA/JPL-Caltech)

„Miután találtunk egyet az a fő kérdés, hogy találhatunk-e még többet is” – vázolja a probléma lényegét Devon Powell, a Max Planck Asztrofizikai Intézet csillagásza és mindkét tanulmány társszerzője.

A különleges objektumot:

• a B1938+666 jelű Einstein-gyűrűben fedezték fel,
• ami tízmilliárd fényévre fekszik a földtől,
• és ami egy rekordméretű sötétanyag-csomó lehet.