Mohl by být podivný rentgenový signál přicházející z galaxie v Perseusu náznakem nepolapitelné temné hmoty v našem vesmíru?
S využitím archivních dat z rentgenové observatoře Chandra a mise XMM-Newton našli astronomové neidentifikovanou rentgenovou emisní linii nebo špičku intenzity při velmi specifické vlnové délce rentgenového světla. Tento hrot byl také nalezen v 73 dalších galaxiích v datech XMM-Newton.
Vědci navrhují, že jednou zajímavou možností je, že rentgenové paprsky jsou produkovány rozpadem sterilních neutrin, hypotetického typu neutrina, který byl navržen jako kandidát na temnou hmotu a předpokládá se, že bude s normální hmotou interagovat pouze gravitací.
"Víme, že vysvětlení temné hmoty je dlouhá rána, ale kdybychom měli pravdu, výplata by byla obrovská," řekla Esra Bulbul z Harvard-Smithsonianova centra pro astrofyziku (CfA) v Cambridge, Massachusetts, která vedla studie. "Takže budeme pokračovat v testování této interpretace a uvidíme, kam nás to zavede."
Astronomové odhadují, že zhruba 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru jsou temná hmota, neviditelná i pro nejmocnější dalekohledy, ale zjistitelná gravitačním tahem.
Shluky galaxií jsou dobrým místem k hledání temné hmoty. Obsahují stovky galaxií a také velké množství horkého plynu, které vyplňuje prostor mezi nimi. Měření gravitačního vlivu klastrů galaxií však ukazují, že galaxie a plyn tvoří pouze asi pětinu celkové hmotnosti. Zbytek je považován za temnou hmotu.
Bulbul v příspěvku na blogu Chandra vysvětlila, že chtěla zkusit lov na temnou hmotu „stohováním“ (pozorování vrstev na sobě) velkým počtem pozorování klastrů galaxií, aby se zvýšila citlivost dat pocházejících z Chandry a XMM- Newton.
"Velkou výhodou sledování stohování není jen zvýšený poměr signálu k šumu (tj. Množství užitečného signálu ve srovnání s šumem v pozadí), ale také snížené účinky detektoru a pozadí," napsal Bulbul. "Rentgenové pozadí emise a instrumentální šum jsou hlavními překážkami v analýze slabých objektů, jako jsou klastry galaxií."
Jejím primárním cílem při použití stohovací techniky bylo zpřesnit předchozí horní meze vlastností částic temné hmoty a možná dokonce najít slabou emisní linii z dříve nezjištěných kovů.
"Tyto slabé emisní čáry z kovů pocházejí ze známých atomových přechodů probíhajících v horké atmosféře klastrů galaxií," řekl Bulbul. "Poté, co jsem strávil rok redukováním, pečlivým zkoumáním a ukládáním rentgenových pozorování XMM-Newton 73 klastrů galaxií, všiml jsem si neočekávané emisní čáry při asi 3,56 kiloelectron voltech (keV), specifické energii v rentgenovém rozsahu. “
Teoreticky se sterilní neutrino rozkládá na aktivní neutrino emitováním rentgenového fotonu v rozsahu keV, který lze detekovat rentgenovou spektroskopií. Bulbul uvedl, že výsledky jejího týmu jsou v souladu s teoretickými očekáváními a horními limity stanovenými předchozími rentgenovými vyhledáváními.
Bulbul a její kolegové pracovali rok, aby potvrdili existenci této linie v různých dílčích vzorcích, ale tvrdí, že stále mají hodně práce, aby potvrdili, že skutečně detekovali sterilní neutrina.
"Naším dalším krokem je zkombinovat data z Chandry a mise Suzaku společnosti JAXA pro velké množství shluků galaxií, abychom zjistili, zda najdeme stejný rentgenový signál," uvedl spoluautor Adam Foster, také CfA. "Existuje spousta nápadů o tom, co tato data mohou představovat." Možná nebudeme vědět s jistotou, dokud se Astro-H nespustí, s novým typem rentgenového detektoru, který bude schopen měřit linku s větší přesností, než je v současnosti možné. “
Astro-H je další japonská mise naplánovaná na spuštění v roce 2015 pomocí nástroje s vysokým rozlišením, které by mělo být schopno vidět ve spektrech lepší detaily, a Bulbul řekl, že doufají, že budou moci „jednoznačně odlišit astrofyzikální linii od signálu temné hmoty“ a řekněte nám, co tato nová rentgenová emise skutečně je. “
Protože je emisní linie slabá, tato detekce posouvá schopnosti Chandra a XMM Newton z hlediska citlivosti. Tým také tvrdí, že existují jiná vysvětlení než sterilní neutrina, pokud je tato rentgenová emisní linie považována za skutečnou. Existují způsoby, jak by normální hmota v klastru mohla tuto linii vyrobit, ačkoli analýza týmu naznačila, že by všechny tyto kroky zahrnovaly nepravděpodobné změny v našem porozumění fyzikálním podmínkám v klastru galaxie nebo detailům atomové fyziky extrémně horkých plynů.
Autoři také poznamenávají, že i když je sterilní interpretace neutrinů správná, jejich detekce nutně neznamená, že veškerá temná hmota je složena z těchto částic.
Tisková zpráva z Chandry sdílela zajímavý zákulisní pohled na to, jak je věda sdílena a diskutována mezi vědci:
Vzhledem k tantalizujícímu potenciálu těchto výsledků autoři zaslali po odeslání do Astrofyzikálního deníku kopii příspěvku do veřejně přístupné databáze, arXiv. Toto fórum umožňuje vědcům prozkoumat referát před jeho přijetím do recenzovaného časopisu. Papír podnítil nával činnosti, přičemž 55 nových dokumentů již tuto práci citovalo, většinou zahrnovalo teorie diskutující o emisní linii jako možný důkaz temné hmoty. Některé studie prozkoumávají sterilní interpretaci neutrin, ale jiné naznačují, že byly detekovány různé typy kandidátních částic temné hmoty, jako je axion.
Pouze týden po Bulbul et al. umístili svůj dokument na arXiv, jinou skupinu, vedenou Alexey Boyarsky z Leiden University v Nizozemsku, umístili papír na arXiv reportující důkazy pro emisní linii se stejnou energií v pozorováních galaxie M31 a okraje XMM-Newton klastru Perseus. To posiluje důkaz, že emisní linie je skutečná a ne instrumentální artefakt.
Další čtení:
Paper od Bulbul et al.
Tisková zpráva společnosti Chandra
Tisková zpráva ESA
Chandra blog
