Može li čudni rendgenski signal koji dolazi iz grozda galaksije Perseus biti nagovještaj neuhvatljive tamne materije u našem Svemiru?
Koristeći arhivske podatke iz Xandrijskog opservatorija Chandra i misije XMM-Newton, astronomi su pronašli neidentificiranu liniju zračenja rendgenskih zraka ili šiljak intenziteta pri vrlo specifičnoj valnoj duljini rendgenske svjetlosti. Taj je šiljak pronađen i u 73 druge galaksije u podacima XMM-Newtona.
Znanstvenici predlažu da je jedna intrigantna mogućnost da se X-zrake nastaju raspadom sterilnih neutrina, hipotetičkog tipa neutrina koji je predložen kao kandidat za tamnu tvar i za kojega se predviđa da može komunicirati s normalnom materijom samo putem gravitacije.
"Znamo da je objašnjenje tamne materije dugotrajno, ali isplata bi bila ogromna ako smo u pravu", rekla je Esra Bulbul iz Harvard-Smithsonian centra za astrofiziku (CfA) u Cambridgeu, Massachusetts, koja je vodila studij. "Dakle, nastavit ćemo testirati ovu interpretaciju i vidjeti gdje nas vodi."
Astronomi procjenjuju da je otprilike 85 posto sve materije u Svemiru tamna tvar, nevidljiva čak i najmoćnijim teleskopima, ali otkrivena gravitacijskim potezom.
Klasteri galaksija su dobra mjesta za traženje tamne materije. Sadrže stotine galaksija kao i ogromnu količinu vrućeg plina koji ispunjava prostor između njih. Ali mjerenja gravitacijskog utjecaja galaksija pokazuju da galaksije i plin čine oko petinu ukupne mase. Ostalo se smatra tamnom materijom.
Bulbul je u postu na blogu Chandra objasnila da želi pokušati loviti tamnu materiju "slaganjem" (slojevitih opažanja jedna na drugu) veliki broj promatranja galaksijskih klastera kako bi poboljšali osjetljivost podataka koji dolaze iz Chandra i XMM- Newton.
"Velika prednost slaganja promatranja nije samo povećani omjer signal-šum (tj. Količina korisnog signala u usporedbi s bukom u pozadini), već i smanjeni učinci detektorskih i pozadinskih karakteristika", napisao je Bulbul. "Emisija pozadinskih zraka i instrumentalni šum glavne su prepreke u analizi slabih objekata, poput galaksija."
Njezin primarni cilj u korištenju tehnike slaganja bio je preciziranje prethodnih gornjih granica svojstava čestica tamne materije i možda čak pronalaženje slabe linije emisije iz prethodno neotkrivenih metala.
"Te slabe emisione cijevi metala potječu od poznatih atomskih prijelaza koji se odvijaju u vrućim atmosferama galaksijskih klastera", rekao je Bulbul. "Nakon što sam proveo godinu dana u smanjenju, pažljivom pregledu i slaganju XMM-Newtonovih rendgenskih opažanja 73 galaksija, primijetio sam neočekivanu liniju emisije na oko 3,56 kiloelektronskih volti (keV), specifičnu energiju u rasponu rendgenskih zraka. ”
Teoretski, sterilni neutrino propada u aktivni neutrin emitirajući rendgenski foton u keV rasponu, koji se može otkriti pomoću X-spektroskopije. Bulbul je rekla da su rezultati njenog tima u skladu s teorijskim očekivanjima i gornjim granicama prethodnih rendgenskih pretraga.
Bulbul i njezini kolege radili su godinu dana kako bi potvrdili postojanje linije u različitim poduzorcima, ali kažu da im preostaje još mnogo posla kako bi potvrdili da su stvarno otkrili sterilne neutrine.
"Naš sljedeći korak je kombiniranje podataka Chandra i JAXA-ove misije Suzaku za veliki broj galaksijskih klastera kako bismo vidjeli pronalazimo li isti rendgenski signal", rekao je koautor Adam Foster, također CfA. "Postoji puno ideja o tome što bi ovi podaci mogli predstavljati. Sigurno nećemo znati dok se Astro-H ne pokrene, s novom vrstom rendgenskih detektora koji će moći mjeriti liniju s više preciznosti nego što je to trenutno moguće. "
Astro-H je još jedna japanska misija koju bi trebala pokrenuti 2015. godine s instrumentom visoke rezolucije koji bi trebao moći vidjeti bolje detalje u spektrima, a Bulbul je rekao kako se nadaju da će moći "nedvosmisleno razlikovati astrofizičku liniju od signala tamne materije" i recite nam koja je zapravo nova rendgenska emisija. "
Budući da je emisijska linija slaba, ovo otkriće potiče sposobnosti Chandra i XMM Newton u pogledu osjetljivosti. Također, tim kaže da mogu postojati i drugačija objašnjenja osim sterilnih neutrina ako se smatra da je ta linija X-zraka stvarna. Postoje načini da je normalna tvar u klasteru mogla stvoriti liniju, iako je analiza tima sugerirala da bi sve to uključivalo malo vjerojatne promjene u našem razumijevanju fizičkih stanja galaksije ili detalja atomske fizike izuzetno vrućih plinova.
Autori također primjećuju da čak i ako je sterilna interpretacija neutrina točna, njihovo otkrivanje ne mora nužno podrazumijevati da je sva tamna tvar sastavljena od tih čestica.
Izjava za tisak Chandra podijelila je zanimljiv zakulisni pogled na to kako se znanost dijeli i raspravlja među znanstvenicima:
Zbog potenciranja ovih rezultata, autori su nakon prijave u časopisu Astrophysical Journal kopiju rada postavili u javno dostupnu bazu podataka, arXiv. Ovaj forum omogućava znanstvenicima da pregledaju rad prije nego što ga prihvate u časopisu s recenzijom. Rad je pokrenuo buru aktivnosti, a 55 je novih radova već citiralo ovaj rad, uglavnom uključujući teorije o kojima se raspravlja o liniji emisije kao mogući dokaz tamne materije. Neki radovi istražuju sterilnu neutrinsku interpretaciju, ali drugi sugeriraju da su otkrivene različite vrste kandidatnih čestica tamne materije, poput aksiona.
Samo tjedan dana nakon Bulbul i sur. stavili svoj rad na arXiv, druga skupina koju je vodio Alexey Boyarsky sa Sveučilišta Leiden u Nizozemskoj, stavila je papir na arXiv izvještajne dokaze za emisijsku liniju iste energije u XMM-Newtonovim promatranjima galaksije M31 i perifernih ruba grozda Perseus. Ovo jača dokaze da je linija emisija stvarna, a ne instrumentalni artefakt.
Daljnje čitanje:
Rad Bulbul i sur.
Chandra press release
ESA press release
Blog Chandra
