Wreszcie ślad ciemnej materii? "To śmiały strzał"

Astronomowie uważają, że to właśnie nieuchwytna dotąd ciemna materia stanowi 85 proc. całej materii Wszechświata. Jednak nie emituje ona ani nie absorbuje światła, w przeciwieństwie do "normalnej" materii - protonów, neutronów i elektronów tworzących pierwiastki obserwowane w planetach, gwiazdach i galaktykach. Dlatego tropiący ją naukowcy w swoich poszukiwaniach muszą się uciekać do metod pośrednich.

Jedną z nich może się okazać badanie gromad galaktyk - największych kosmicznych zespołów materii związanych ze sobą grawitacyjnie. Zawierają one nie tylko setki galaktyk, ale także ogromne ilości gorącego gazu wypełniającego przestrzeń między nimi. Jednak z pomiarów wpływów grawitacyjnych takich gromad wynika, że ​​galaktyki i gaz stanowią jedynie około jednej piątej całkowitej masy tych zbiorów. Reszta jest uważana właśnie za ciemną materię.

Gaz wypełniający gromady galaktyk to głównie wodór. Rozgrzany do ponad 10 mln st. C jest wystarczająco gorący, by emitować promieniowanie rentgenowskie. Temu promieniowaniu towarzyszą ślady innych obecnych w gromadzie pierwiastków w postaci rentgenowskich "linii" w określonych długościach fal.

Zainteresowanie naukowców wzbudziły ostatnie dane pochodzące z teleskopu kosmicznego Chandra i z satelity XMM-Newton, prowadzącego obserwacje w ultrafiolecie i promieniowaniu rentgenowskim. W znajdującej się 230 mln lat świetlnych od Ziemi gromadzie galaktyk w konstelacji Perseusza oba instrumenty wykryły niezidentyfikowane promieniowanie X, a dokładnie wyraźny skok intensywności jego określonej długości fali. Tę samą linię promieniowania naukowcy wychwycili w prowadzonych przez satelitę XMM-Newton połączonych badaniach 73 innych gromad galaktyk.

Badacze uznali, że ta specyficzna emisja promieniowania może być znakiem rozpadu neutrin sterylnych - hipotetycznych cząstek elementarnych należących do neutrin (cząstek o zerowym ładunku elektrycznym), które miałyby wchodzić w interakcje z normalną materią tylko poprzez grawitację. Niektórzy naukowcy sugerują, że neutrina sterylne mogą przynajmniej częściowo wyjaśniać kwestię ciemnej materii.

Taka hipoteza jest ekscytująca, ale naukowcy nieco studzą emocje, podkreślając, że wymaga ona jeszcze dokładnej weryfikacji i potwierdzenia przez dodatkowe dane - tak, żeby wykluczyć inne możliwe wyjaśnienia zaobserwowanego promieniowania.

- Wiemy, że hipoteza o ciemnej materii to śmiały strzał, ale jeśli mamy rację, sukces będzie ogromny - powiedział kierujący badaniami Esra Bulbul z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) w Cambridge. - Na razie weryfikujemy tę interpretację i patrzymy, dokąd to nas zaprowadzi - dodał.

Naukowcy muszą wykluczyć, że za wykryte promieniowanie nie odpowiada zjawisko inne niż neutrina sterylne. Możliwe jest, że mogłaby je wyemitować normalna materia w gromadzie galaktyk. Analizy wykazały jednak, że pociągałyby za sobą zmiany mało prawdopodobne w naszym obecnym rozumieniu warunków fizycznych panujących w takiej gromadzie oraz fizyki atomowej bardzo gorących gazów.

- Mamy jeszcze wiele do zrobienia, zanim będziemy mogli stwierdzić z całą pewnością, że odkryliśmy neutrina sterylne. Ale już sama możliwość ich znalezienia bardzo nas podekscytowała - przyznał współautor badań Maxim Markevitch z Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA.

Badacze zaznaczają też, że nawet jeśli hipoteza o rozpadzie neutrin sterylnych okaże się poprawna, ich wykrycie nie musi oznaczać, że cała ciemna materia się z nich składa.

- Naszym kolejnym krokiem będzie połączenie danych z Chandry i prowadzonej przez JAXA misji Suzaku obejmującej wiele gromad galaktyk. To pozwoli sprawdzić, czy wykryliśmy ten sam sygnał rentgenowski - powiedział Adam Foster z zespołu badawczego CfA.

- Istnieje wiele pomysłów na temat tego, co te dane mogą reprezentować. Nie będziemy tego wiedzieli na pewno do czasu uruchomienia Astro-H wyposażonego w nowy typ detektora promieniowania rentgenowskiego, który będzie w stanie zmierzyć to promieniowanie z większą precyzją niż to obecnie możliwe - dodał Foster.

Astro-H (New X-ray Telescope) to naukowo-badawczy satelita, który jeszcze w tym roku ma być umieszczony na orbicie. Ten wspólny projekt JAXA, NASA i Holenderskiego Instytutu Badań Kosmicznych SRON ma służyć badaniu Wszechświata w zakresie promieniowania rentgenowskiego.

Ze względu na przełomowy potencjał wyników badań Esra Bulbul i jego współpracownicy nie tylko zgłosili je do specjalistycznego "Astrophysical Journal", ale także w ogólnodostępnej bazie naukowej arXiv, która umożliwia skonfrontowanie pracy naukowej z innymi badaczami jeszcze przed przyjęciem przez renomowane czasopismo. Wywołało to lawinę publikacji zwrotnych, głównie polemizujących z tezą, że wykryta emisja promieni X może być śladem rozpadu neutrin sterylnych.

Jednak zaledwie kilka tygodni po tym, jak rezultaty badań zespołu z CfA pojawiły się w arXiv, swoje dane opublikowała tam inna grupa badaczy kierowana przez Alexeya Boyarskiego z Uniwersytetu Leiden w Holandii. Ten zespół wykrył w obserwacjach XMM-Newton dotyczących galaktyki M31 na obrzeżach gromady w Perseuszu taki sam rodzaj promieniowania jak zespół Bulbula. To drugie odkrycie stanowi mocny dowód, że promieniowanie wychwycone pierwotnie przez naukowców z CfA jest prawdziwe i nie wynika z zaburzeń instrumentów.

To nie pierwszy raz, kiedy badanie promieniowania obecnego w kosmosie budzi nadzieję na "uchwycenie" ciemnej materii. Naukowcy z Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Uniwersytetu Chicagowskiego, przeanalizowali dane dotyczące niezwykle silnego promieniowania gamma emitowanego w centrum naszej galaktyki. Doszli do wniosku, że część tej emisji może pochodzić właśnie z ciemnej materii.

Autor: js/kt / Źródło: NASA, ESA