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

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 többek között galaxisok csillagainak mozgási sebességében tapasztalt 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.