Може ли странен рентгенов сигнал, идващ от галактическия клъстер Персей, да бъде намек за неуловимата тъмна материя в нашата Вселена?
Използвайки архивни данни от рентгеновата обсерватория Чандра и мисията XMM-Нютон, астрономите откриха неидентифицирана линия на рентгенова емисия или шип на интензивност при много специфична дължина на вълната на рентгенова светлина. Този шип е открит и в 73 други галактически клъстери в данните на XMM-Newton.
Учените предполагат, че една интригуваща възможност е рентгеновите лъчи да се получават при разпадането на стерилни неутрино, хипотетичен тип неутрино, който е предложен като кандидат за тъмна материя и се предвижда да взаимодейства с нормалната материя само чрез гравитация.
„Знаем, че обяснението с тъмната материя е дълъг изстрел, но изплащането би било огромно, ако сме прави”, каза Есра Булбул от Харвардско-Смитсоновския център за астрофизика (CfA) в Кеймбридж, Масачузетс, която ръководи учат. "Така че ние ще продължим да тестваме тази интерпретация и да видим къде ни отвежда."
Астрономите изчисляват, че приблизително 85 процента от цялата материя във Вселената е тъмна материя, невидима дори за най-мощните телескопи, но откриваема чрез нейното гравитационно дърпане.
Галактическите клъстери са добри места за търсене на тъмна материя. Те съдържат стотици галактики, както и огромно количество горещ газ, запълващ пространството между тях. Но измерванията на гравитационното влияние на галактическите клъстери показват, че галактиките и газът съставляват само около една пета от общата маса. Останалото се смята за тъмна материя.
Булбул обясни в публикация в блога Чандра, че иска да опита да ловува тъмна материя, като „подрежда“ (наслоени наблюдения един върху друг) голям брой наблюдения на галактически клъстери, за да подобри чувствителността на данните, идващи от Чандра и XMM- Нютон.
„Голямото предимство на подреждането на наблюденията е не само увеличеното съотношение сигнал / шум (тоест количеството полезен сигнал в сравнение с фоновия шум), но и намалените ефекти на характеристиките на детектора и фона“, пише Булбул. „Рентгеновите фонови емисии и инструменталният шум са основните пречки при анализа на слаби обекти, като галактически клъстери.“
Нейната основна цел при използването на техниката на подреждане е да прецизира предишните горни граници на свойствата на тъмните частици и може би дори да намери слаба емисионна линия от неоткрити досега метали.
„Тези слаби емисионни линии от метали произхождат от известните атомни преходи, протичащи в горещите атмосфери на галактическите струпвания“, каза Булбул. „След като прекарах една година намаляване, внимателно изследване и подреждане на рентгеновите наблюдения XMM-Нютон на 73 галактически клъстера, забелязах неочаквана емисионна линия на около 3,56 килоелектрон волта (keV), специфична енергия в рентгеновия обхват. "
На теория стерилно неутрино се разпада в активно неутрино чрез излъчване на рентгенов фотон в диапазона на keV, който може да бъде открит чрез рентгенова спектроскопия. Булбул каза, че резултатите от нейния екип са в съответствие с теоретичните очаквания и горните граници, поставени при предишни рентгенови изследвания.
Булбул и нейните колеги работиха една година, за да потвърдят съществуването на линията в различни подпроби, но казват, че тепърва има много работа, за да потвърдят, че действително са открили стерилни неутрино.
„Следващата ни стъпка е да комбинираме данни от Чандра и мисията на Suzaku на JAXA за голям брой галактически клъстери, за да видим дали намираме един и същ рентгенов сигнал“, каза съавторът Адам Фостър, също от CfA. „Има много идеи за това какво биха могли да представляват тези данни. Може да не знаем със сигурност, докато Astro-H не стартира, с нов тип рентгенов детектор, който ще може да измерва линията с по-голяма точност, отколкото е възможно в момента. "
Astro-H е друга японска мисия, която трябва да стартира през 2015 г. с инструмент с висока разделителна способност, който трябва да може да вижда по-добри детайли в спектрите, а Булбул заяви, че се надяват да могат да „различат недвусмислено астрофизичната линия от сигнала на тъмната материя“ и ни кажете каква е наистина тази нова рентгенова емисия. "
Тъй като емисионната линия е слаба, това откриване изтласква възможностите Chandra и XMM Newton по отношение на чувствителността. Освен това екипът казва, че може да има обяснения, различни от стерилни неутрино, ако тази рентгенова емисия се счита за истинска. Има начини, по които нормалната материя в клъстера би могла да произведе линията, въпреки че анализът на екипа предполага, че всичко това ще включва малко вероятни промени в нашето разбиране за физическите условия в галактическия клъстер или детайлите на атомната физика на изключително горещи газове.
Авторите също така отбелязват, че дори ако интерпретацията на стерилното неутрино е правилна, тяхното откриване не означава непременно, че цялата тъмна материя е съставена от тези частици.
Пресцентърът на Чандра сподели интересен задкулисен поглед върху това как се споделя и обсъжда науката сред учените:
Поради потенциала за изтръпване на тези резултати, след подаването им в The Astrophysical Journal авторите публикуват копие на документа в публично достъпна база данни, arXiv. Този форум позволява на учените да разгледат статия преди приемането й в рецензиран журнал. Документът предизвика вълнение от активност, като 55 нови статии вече цитират тази работа, като предимно участват теории, обсъждащи емисионната линия като възможно доказателство за тъмната материя. Някои от документите изследват стерилната неутрино интерпретация, но други предполагат, че могат да бъдат открити различни видове кандидат-частици от тъмна материя, като аксион.
Само седмица след Bulbul et al. поставиха своята хартия в arXiv, друга група, ръководена от Алексей Боярски от университета в Лайден в Холандия, постави документ за доказателствата за отчитане на arXiv за емисионна линия със същата енергия в наблюденията на XMM-Newton за галактика М31 и покрайнините на струпването на Персей. Това засилва доказателствата, че емисионната линия е реална, а не инструментален артефакт.
Допълнителна информация:
Документ от Bulbul et al.
Прессъобщение на Чандра
ESA прессъобщение
Блог Chandra
