Kozmikus nagyítókkal leltek a sötét anyag kisebb csomóira

5575

A NASA Hubble-űrteleszkópjával és egy új megfigyelési módszerrel felfedezték, hogy a sötét anyag jóval kisebb csomókat alkot, mint korábban gondoltuk. Az eredmény megerősíti a széles körben elfogadott “hideg sötét anyag” elmélet egyik alapvető jóslatát. Az elmélet szerint minden galaxis sötétanyag-felhőkben keletkezik és körbe van velük véve. A sötét anyag lassan mozgó, avagy “hideg” részecskékből áll, melyek alkothatnak épp úgy a Tejútrendszer tömegének több száz, több ezerszeresét kitevő struktúrákat, ahogyan egy átlagos repülőgép tömegének megfelelő rendszert is. (Ebben a kontextusban a “hideg” kifejezés a részecske sebességére utal.)

A Hubble megfigyelése új információkkal szolgál a sötét anyag természetéről és viselkedéséről. A sötét anyag az anyag olyan nem látható formája, amely az Univerzum tömegének jelentős részét teszi ki, valamint megalkotja azt a vázat, amelyen a galaxisok keletkeznek. Habár látni nem lehet, csillagászok a környező csillagokra, galaxisokra gyakorolt gravitációs hatásából ki tudják mutatni a jelenlétét. A legkisebb sötétanyag-képződmények detektálása beágyazott csillagok keresésével roppant nehéz vagy akár lehetetlen is lehet, mivel ezen struktúrák nagyon kevés csillagot tartalmaznak.

Nagy és közepes méretű galaxisok körül már detektáltak sötét anyagot, de jóval kisebb sötétanyag-csomókat mindezidáig nem találtak. Ezen megfigyelési eredmények hiányában kutatók kidolgoztak alternatív elméleteket is, például a “meleg sötét anyag” hipotézist. Eszerint a sötét anyagot gyorsan mozgó részecskék alkotják, melyek túl gyorsan mozognak ahhoz, hogy összeolvadva kisebb sűrűsödésekbe csoportosuljanak. Az új megfigyelések nem támasztják alá ezt a forgatókönyvet, a sötét anyag “hidegebb” annál, mint amit az alternatív meleg sötét anyag elméletében tesznek fel.

Mindegyik kis képen egy-egy háttérkvazár torzult képe látható, az előtér galaxis nagytömegű magja körül. Az előtér galaxis gravitációjának hatására a kvazár képe megváltozik, mely effektust gravitációs lencsézésnek nevezünk. (NASA, ESA, A. Nierenberg, T. Treu)

Nagy kihívásnak bizonyult csillagok nélkül sötét anyag koncentrációkat találni. A Hubble kutatócsoportja azonban olyan technikát használt, melyben nem kell a csillagok gravitációs befolyásaira támaszkodva keresniük a sötét anyag nyomait. A csoport 8 fényes és távoli kozmikus világítótornyot, avagy kvazárt vett célba (aktív fekete lyuk körüli régiók, amelyek elképesztő mennyiségű fényt bocsátanak ki a fekete lyukba behulló és felizzó anyagfelhők révén). Ezután megmérték, hogy hogyan torzul el a fekete lyuk körül keringő oxigén és neon gázból kibocsátott fény a nagytömegű, előtérbeli galaxis hatására, mely nagyítólencseként működik (gravitációs lencsézés).

Ezzel a módszerrel a csoport sötét anyagból álló csomókat fedezett fel a teleszkóp látóirányában a kvazár felé, valamint a lencséző galaxisok körül és bennük is. A detektált sötétanyag-sűrűsödések a Tejútrendszert övező sötét anyag haló tömegének 1/10 000-ed, 1/100 000-ed részét teszik ki. Ezen apró csoportosulások számos tagjában valószínűleg kisméretű galaxisok sincsenek, így a tradicionális, beágyazott csillagok után kutató módszerrel lehetetlen lett volna őket kimutatni.

A nyolc vizsgált kvazár és a galaxisok olyan precízen igazodnak, hogy a torzító hatás, azaz a gravitációs lencsézés következtében mindegyik kvazárról 4 torzult képet láttak. Az effektus egy elvarázsolt kastély tükréhez hasonlítható. Az ehhez hasonló négyszeres képek roppant ritkák, ugyanis a kvazárnak és az előtér galaxisnak szinte tökéletesen egy vonalba kell esniük a látóirányból nézve. A részletes analízishez azonban szükség volt a több képre.

Ez az ábra illusztrálja, hogyan változik meg egy távoli kvazár képe egy nagytömegű előtér galaxis hatására. A galaxis erős gravitációja eltorzítja és felerősíti a kvazár fényét, így négy eltorzult képet létrehozva a látóirányban. (NASA, ESA and D. Player (STScI))

A sötét anyag csomók jelenléte megváltoztatja mindegyik torzult kvazárkép látszó fényességét és pozícióját. Csillagászok ezért összevetették a valós méréseket azzal, hogyan kellene a sötét anyag hatásai nélkül látszaniuk a kvazároknak. A mérésekből kiszámították a kis méretű sötétanyag-sűrűsödések tömegeit, az adatok elemzéséhez pedig bonyolult programokat és rekonstrukciós technikákat alkalmaztak.

Daniel Gilman, a kutatócsoport tagjának elmondása szerint ezt úgy kell elképzelni, hogyha mindegyik galaxis egy-egy nagyító, akkor a sötét anyag csomók kis repedések ezeken a lencséken; a kvazárok képeinek látszó fényességét és pozícióját megváltoztatva ahhoz képest, ha sima lenne a nagyítólencse üvegje. A vizsgált kvazárok tőlünk mintegy 10 milliárd fényévre, míg az előtér galaxisai körülbelül 2 milliárd fényévnyire találhatóak, felfedezésüket pedig a Sloan Digital Sky Survey és a Dark Energy Survey programoknak köszönhetjük.

A sötét anyagot alkotó részecskéket azonban továbbra is homály fedi. Laboratóriumban semmilyen bizonyítékot nem sikerült találni eddig, hogy a sötét anyagot alkotó részecskék valóban léteznek. Részecskefizikusok nem is beszélnének róla, hogyha kozmológus kutatók nem mondanák, hogy a hatásuk megfigyeléséből következtetve ott vannak. A sötét anyag kutatása így tovább folyik, például a NASA James Webb Űrteleszkópjával, valamint a Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) távcsövekkel. Segítségükkel várhatóan még jóval több ilyen ritka rendszert fedezhetünk fel.

Forrás: NASA JPL

Hozzászólás

hozzászólás