Czy dziwny sygnał rentgenowski pochodzący z gromady galaktyk Perseusza może wskazywać na nieuchwytną ciemną materię w naszym Wszechświecie?
Korzystając z danych archiwalnych z Obserwatorium rentgenowskiego Chandra i misji XMM-Newton, astronomowie znaleźli niezidentyfikowaną linię emisji rentgenowskiej lub skok intensywności przy bardzo określonej długości fali światła rentgenowskiego. Ten skok znaleziono również w 73 innych gromadach galaktyk w danych XMM-Newton.
Naukowcy sugerują, że jedną z intrygujących możliwości jest to, że promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku rozpadu sterylnych neutrin, hipotetycznego typu neutrina, który został zaproponowany jako kandydat na ciemną materię i przewiduje się, że będzie oddziaływać z normalną materią tylko poprzez grawitację.
„Wiemy, że wyjaśnienie ciemnej materii jest dalekie, ale spłata byłaby ogromna, gdybyśmy mieli rację”, powiedziała Esra Bulbul z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) w Cambridge, Massachusetts, która kierowała badanie. „Będziemy więc testować tę interpretację i sprawdzać, dokąd nas ona zaprowadzi”.
Astronomowie szacują, że około 85 procent całej materii we Wszechświecie to ciemna materia, niewidoczna nawet dla najpotężniejszych teleskopów, ale wykrywalna przez siłę grawitacji.
Gromady galaktyk są dobrym miejscem do poszukiwania ciemnej materii. Zawierają setki galaktyk, a także ogromną ilość gorącego gazu wypełniającego przestrzeń między nimi. Jednak pomiary grawitacyjnego wpływu gromad galaktyk pokazują, że galaktyki i gaz stanowią zaledwie około jednej piątej całkowitej masy. Resztę uważa się za ciemną materię.
Bulbul wyjaśniła w poście na blogu Chandra, że chce spróbować polowania na ciemną materię, „układając” (nakładając na siebie obserwacje) dużą liczbę obserwacji gromad galaktyk, aby poprawić czułość danych pochodzących od Chandry i XMM- Niuton.
„Wielką zaletą obserwacji na stosie jest nie tylko zwiększony stosunek sygnału do szumu (to znaczy ilość użytecznego sygnału w porównaniu do szumu tła), ale także zmniejszone działanie detektora i funkcji tła”, napisał Bulbul. „Emisja tła rentgenowskiego i szumy instrumentalne są głównymi przeszkodami w analizie słabych obiektów, takich jak gromady galaktyk”.
Jej głównym celem w stosowaniu techniki układania w stosy było udoskonalenie poprzednich górnych granic właściwości cząstek ciemnej materii, a może nawet znalezienie słabej linii emisji z wcześniej niewykrywanych metali.
„Te słabe linie emisji metali pochodzą ze znanych przemian atomowych zachodzących w gorących atmosferach gromad galaktyk” - powiedział Bulbul. „Po spędzeniu roku na zmniejszaniu, dokładnym badaniu i układaniu obserwacji rentgenowskich XMM-Newtona 73 gromad galaktyk zauważyłem nieoczekiwaną linię emisji przy około 3,56 kiloelektronowych woltach (keV), energii właściwej w zakresie promieniowania rentgenowskiego. ”
Teoretycznie sterylne neutrino rozpada się na aktywne neutrino przez emisję fotonu rentgenowskiego w zakresie keV, który można wykryć za pomocą spektroskopii rentgenowskiej. Bulbul powiedziała, że wyniki jej zespołu są zgodne z oczekiwaniami teoretycznymi i górnymi granicami ustalonymi przez poprzednie wyszukiwania rentgenowskie.
Bulbul i jej koledzy pracowali przez rok, aby potwierdzić istnienie linii w różnych podpróbkach, ale mówią, że wciąż mają wiele do zrobienia, aby potwierdzić, że rzeczywiście wykryli sterylne neutrina.
„Naszym kolejnym krokiem jest połączenie danych z misji Chandra i misji Suzaku JAXA dla dużej liczby gromad galaktyk, aby sprawdzić, czy znajdziemy ten sam sygnał rentgenowski” - powiedział współautor Adam Foster, również z CfA. „Istnieje wiele pomysłów na temat tego, co te dane mogą reprezentować. Możemy nie wiedzieć na pewno, dopóki nie uruchomi się Astro-H, z nowym rodzajem detektora rentgenowskiego, który będzie w stanie zmierzyć linię z większą dokładnością niż jest to obecnie możliwe. ”
Astro-H to kolejna japońska misja zaplanowana na 2015 r. Z instrumentem o wysokiej rozdzielczości, który powinien być w stanie zobaczyć więcej szczegółów w widmach, a Bulbul powiedział, że mają nadzieję, że będą w stanie „jednoznacznie odróżnić linię astrofizyczną od sygnału ciemnej materii i powiedz nam, czym tak naprawdę jest ta nowa emisja rentgenowska. ”
Ponieważ linia emisji jest słaba, wykrywanie to przesuwa możliwości Chandra i XMM Newton pod względem czułości. Zespół twierdzi również, że mogą istnieć wyjaśnienia inne niż sterylne neutrina, jeśli linia emisji promieniowania rentgenowskiego zostanie uznana za rzeczywistą. Istnieją sposoby, w jakie normalna materia w gromadzie mogła wytworzyć linię, chociaż analiza zespołu sugeruje, że wszystkie z nich pociągałyby za sobą mało prawdopodobne zmiany w naszym rozumieniu warunków fizycznych w gromadzie galaktycznej lub szczegółach fizyki atomowej bardzo gorących gazów.
Autorzy zauważają również, że nawet jeśli interpretacja sterylnego neutrina jest poprawna, ich wykrycie niekoniecznie oznacza, że cała ciemna materia składa się z tych cząstek.
Komunikat prasowy Chandra przedstawił ciekawe, zakulisowe spojrzenie na sposób dzielenia się nauką i omawiania jej przez naukowców:
Ze względu na kuszący potencjał tych wyników, po przesłaniu do The Astrophysical Journal, autorzy opublikowali kopię artykułu w publicznie dostępnej bazie danych, arXiv. To forum pozwala naukowcom zbadać artykuł przed jego przyjęciem do czasopisma recenzowanego. Artykuł wywołał lawinę aktywności, a 55 nowych artykułów cytowało już tę pracę, głównie z teoriami omawiającymi linię emisji jako możliwym dowodem na istnienie ciemnej materii. Niektóre artykuły badają sterylną interpretację neutrin, ale inne sugerują, że wykryto różne typy kandydujących cząstek ciemnej materii, takie jak aksjona.
Zaledwie tydzień po Bulbul i in. umieścił swój artykuł na arXiv, innej grupie kierowanej przez Aleksieja Boyarsky'ego z Uniwersytetu Leiden w Holandii, umieścił artykuł na dowodach sprawozdawczych arXiv dla linii emisyjnej o tej samej energii w obserwacjach XMM-Newton galaktyki M31 i obrzeżach gromady Perseusza. To wzmacnia dowód, że linia emisji jest prawdziwa, a nie artefaktem instrumentalnym.
Dalsza lektura:
Paper Bulbul i in.
Komunikat prasowy Chandra
Komunikat prasowy ESA
Blog Chandra
