Sötét anyag: megoldódhat az univerzum egyik legnagyobb rejtélye

A Tejútrendszer széléről érkező megmagyarázhatatlan eredetű gamma-sugárzást önmegsemmisítő sötét anyagrészecskék hozhatják létre - állítja egy frissen publikált tanulmány, de a hipotézis helytállósága még további vizsgálatokat igényel. A hipotetikus sötét anyag egyik legfőbb különlegessége, hogy nem figyelhető meg a hagyományos csillagászati műszerekkel, mivel nem bocsát ki, illetve nem nyel el semmilyen elektromágneses sugárzást; a létezésére mindeddig csupán közvetett módon, a látható anyagra és a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzásra kifejtett gravitációs hatásából lehet következtetni. Egy új kutatás szerint azonban egy furcsa, a galaxisunkban észlelt gamma-sugárzás közvetlen bizonyítékot szolgáltathat a sötét anyag létére.

A fényes és nagy galaxisok legnagyobb részében a sötét anyag biztosítja a csillagvárosok stabil szerkezetét Fotó: NASA/Space News

A sötét anyag létének, illetve jellegének problematikája az asztrofizika egyik legnagyobb kérdése. Noha közvetett módon számos csillagászati megfigyelés utal az univerzum láthatatlan gravitációs forrásának létezésére, de eddig még nem sikerült egzakt módon bebizonyítani, hogy mi is valójában a sötét anyag.

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

Sötét anyag: az univerzum láthatatlan gravitációs forrása

Egy eddig megmagyarázhatatlan eredetű sugárzás, amit a Tejútrendszer külső régióiban azonosítottak, az első konkrét bizonyíték lehet arra, hogy valójában miből is állhat a rejtélyes sötét anyag.

A sötét anyagot teoretikusan az alkotórészei alapján két osztályba, a barionos és nem barionos sötét anyag típusba sorolják. Ez utóbbiba tartozhatnak a neutrínók, a WIMP-ek, vagyis a gyengén kölcsönható nehéz elemi részecskék, továbbá az axionok, azaz az elektromos töltéssel és spinnel nem rendelkező elemi részecskék. A barionos és a nem barionos sötét anyag arányára a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás fluktuációjából következtetnek. A legnagyobb valószínűség szerint a sötét anyag nem barionos, hanem egy teljesen új részecske.

A sötét anyag fogalmát a galaxishalmazok tömegbecslésében mutatkozó jelentős eltérések feloldására vezették be még a 20. század első felében. Fritz Zwicky svájci asztrofizikus 1934-ben a Coma galaxishalmaz szélén fekvő galaxisok sebessége és a halmaz fényessége, valamint az abban lévő galaxisok száma alapján két egymástól jelentősen eltérő eredményt kapott a halmaz tömegének meghatározása során.

A Coma galaxishalmaz asztrofotója   Fotó: Taavi Niittee/Tõrva Astronoomiaklubi / Wikimedia Commons

A két eredményt összehasonlítva azt találta, hogy a sebességeloszlás alapján kiszámított tömeg közel a 400-szorosa a távcsővel, optikailag mért értéknek. Ezért vált szükségessé a sötét anyag, vagyis egy olyan szubsztancia fogalmának a bevezetése, ami ugyan nem látszik, de elég nagy tömegű ahhoz, hogy megmagyarázza az eltérő sebességeloszlásokat. 

Később további közvetett bizonyítékokat találtak a sötét anyag jelenlétére az univerzumban. 

1970-ben Vera Rubin és Kent Ford amerikai csillagászok egy széles spektrumú spektrográffal készített felvételek alapján fedezték frl, hogy a Tejútrendszerhez legközelebb fekvő csillagváros, az Androméda galaxis szélén fekvő csillagok ugyanolyan gyorsan mozognak mint a galaxis középpontjának közelében lévők, amit a hagyományos modellekkel, illetve a newtoni fizika törvényeivel nem lehetett megmagyarázni.

Az Androméda galaxis asztrofotója    Fotó: David (Deddy) Dayag  / Wikimedia Commons

Az Androméda szélén lévő rendkívül nagy sebességgel mozgó csillagok esetében ugyanis a gravitáció önmagában nem lett volna elegendő ahhoz, hogy ezeket a csillagokat a pályájukon tartsa és ne repüljenek ki az anyagalaxisukból az intergalaktikus térbe. Ezt az anomáliát csak egy további láthatatlan gravitációs forrás beiktatásával lehetett feloldani, ez pedig közvetett módon a sötét anyag korábban felállított hipotézisének a helyességét erősítette meg.. Annak ellenére, hogy a sötét anyag „működésére” számos további közvetett bizonyítékot találtak a csillagászok, de magát e rejtélye sszubsztanciát mindeddig még nem sikerült közvetlen módon kimutatni.

Önmegsemmisülő titokzatos részecskék és a rejtélyes galaktikus gamma-sugarak

A sötét anyag egyik lehetséges fő jelöltje az a kísérteties objektum, amit gyengén kölcsönható tömegű részecskének (WIMP) neveznek. Ezeket a hipotetikus részecskéket rendkívül nehéz detektálni, mivel csak ritkán lépnek kölcsönhatásba a normál anyaggal, de a teoretikusok azt jósolják, hogy időnként annihilálódnak vagyis önmegsemmisülnek, eltűnnek, és eközben nagy energiájú sugárzást bocsátanak ki gamma-sugarak formájában. 

Egy erős gamma-kitörés művészi ábrája   Fotó: NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones

A gamma-sugárzás olyan nagy frekvenciájú elektromágneses sugárzás, ami ionizáló hatású. Gamma-sugárzás keletkezik a gerjesztett atommagok alacsonyabb energiájú állapotba való átmenetekor, az úgynevezett gamma-bomlás során, de gyakran ugyancsak ilyen folyamat kíséri az alfa és a béta-bomlást továbbá a magreakciókat, valamint a pozitron-elektron találkozáskor bekövetkező annhilációt is.

Ha a sötét anyag – ahogy azt a gravitációs hatása sugallja – szétszórtan található a galaxisunkban és ráadásul WIMP-ekből áll, akkor látnunk kellene a WIMP-ek önmegsemmisítő fényét. A csillagászok több mint egy évtizede vitatkoznak arról, hogy a galaxisunk középpontjából kiinduló furcsa gamma-sugárzás-többlet lehet-e ez a jel, de az asztrofizikusok szerint az erre vonatkozó bizonyítékok még mindig nem eléggé meggyőzőek -írja a New Scientist tudományos hírportál.

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

 Tomonori Totani, a Tokiói Egyetem munkatársa most azt állítja, hogy a NASA Fermi Gamma-sugár űrteleszkópjának 15 éves megfigyelési adatai alapján valószínűleg észlelt egy ilyen jelet a Tejútrendszer külső részéből, az úgynevezett galaktikus halóból.

Az univerzum más spirálgalaxisaihoz hasonlóan a Tejútrendszert is egy kifelé folyamatosan ritkuló csillagokból álló és intersztelláris port vagy gázt nem tartalmazó gömbszimmetrikus halo veszi körül. A galaktikus halo  egy 100 ezer fényév sugarú gömbön belül  helyezkedik el. A galaktikus halóban található a Tejútrendszer mintegy 160 gömbhalmaza is. A galaktikus halo csillagainak körülbelül harmada nem a Tejútrendszerben, hanem más környező és kisebb galaxisokban keletkezett.

Totani először azt modellezte, hogy mennyi gamma-sugárzásnak kellene lennie ebben a régióban az ismert források, így például a csillagok, a kozmikus sugarak és a Tejútrendszer felett, illetve alatt látható nagy sugárzási buborékok alapján. Miután ezt meghatározta, a kapott eredményt kivonta a Fermi-teleszkóp által kimutatott mennyiségből és megállapította, hogy létezik egy körülbelül 20 gigaelektronvolt energiájú gamma-sugárzás maradvány. 

A sötét anyag hipotézise ad magyarázatot atöbbek között galaxisok csillagainak mozgási sebességében tapsztalt anomáliákra   Fotó: Wikimedia Commons

Egy ilyen energiájú gamma-sugár jel illik a legjobban ahhoz, ami egy önmagát megsemmisítő részecskéből származhat a WIMP-ek várható energiatartományában – mondja Tokiói Egyetem asztrofizikusa Bár elismeri, hogy még túl korai lenne arra a végső következtetésre jutni, hogy a gamma-sugár-tüske a sötét anyagból származik, Totani azt nyilatkozta, hogy a jel „a sötét anyagból származó, eddig ismert legígéretesebb sugárzásjelölt”.

Egyelőre még óvatosan fogalmaznak az asztrofizikusok e jelentős felfedezésről

Noha a felfedezés igen ígéretes és fontos lépés lehet a sötét anyag létének a közvetlen bizonyításához, az asztrofizikusok egyelőre még óvatosan fogalmaznak Totani hipotézisével kapcsolatban „Ez egy olyan eredmény, ami mindenképpen további tanulmányozást érdemel, de a határozott következtetések levonása most még korai lenne” – mondja Francesca Calore, az annecyi Francia Nemzeti Tudományos Kutatóközpont munkatársa.

A Tejútrendszer központi és peremvidékének ábrája a Nap helyzetével  Fotó:  Jon Lomberg/NASA

Az ehhez kapcsolódó probléma lényege, hogy a Tejútrendszer sötét anyagon kívüli összes gamma-sugár forrásának a meghatározása igen nehéz feladat. Silvia Manconi, a párizsi Sorbonne Egyetem munkatársa egyetért azzal, hogy az eredményeket nem tesztelték még kimerítően, és kifinomultabb modellekre lenne szükségünk ahhoz, hogy megmondhassuk, valódi-e a jel. Emellett az univerzum más részeiből - ahol látnunk kellett volna -, így  például a törpegalaxisokban sem észleltünk még ehhez hasonló gamma-sugár jeleket, ezért ezt az eltérést még meg kellene magyarázni- mondja Silvia Manconi. „Sok más sugárforrást is meg kellene vizsgálnunk, például a rádióhullámokat és a neutrínókat, hogy biztosak lehessünk benne, hogy ezek a galaktikus gamma-sugarak nem valami másból származnak – mondja Anthony Brown, a brit Durhami Egyetem munkatársa.

A Tejútrendszer felülnézeti ábrája  Fotó: NASA/JPL-Caltech

 A sötét anyag mibenlétének kétséget kizáró bizonyításához annyi további jó minőségű adatra van szükségünk, amennyi csak lehetséges – hangoztatja a Durnhami Egyetem csillagásza. Tomonori Totani felfedezése mindezek ellenére talán az eddigi legközelebbi lépés ahhoz, hogy végre fény derüljön az univerzum nagy rejtélyére, a sötét anyag mibenlétére.

Az új hipotézis szerint:

• a Tejútrendszer szélein észlelt fényjelenségek,
• olyan gamma-sugarak,
• amelyek gyengén kölcsönható nehéz elemi részecskék önmegsemmisülése során keletkeznek,
• és közvetlen bizonyítékot szolgáltathatnak a sötét anyagra.