Αναμείνατε ολίγον τι
Επιστήμες

Καινούρια στοιχεία για την σκοτεινή ύλη;

Σύνθετη εικόνα του σμήνους γαλαξιών του Περσέα χρησιμοποιώντας δεδομένα από 3 μεγάλα τηλεσκόπια

Μία καινοτόμα ερμηνεία των δεδομένων από ακτίνες X που λήφθηκαν από ένα σμήνος γαλαξιών, μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να δώσουν φως σε ένα ερώτημα που τους βασανίζει εδώ και δεκαετίες: Τι είναι η σκοτεινή ύλη (dark matter).

Τα ευρήματα βασίζονται σε μία νέα ερμηνεία που δόθηκε για ένα σύνολο παρατηρήσεων που έγιναν από τα τηλεσκόπια: NASA’s Chandra X-ray Observatory, ESA’s XMM-Newton και Hitomi, ένα Ιαπωνικό τηλεσκόπιο ακτίνων Χ.

Προς στιγμή παραμένει ως μία υπόθεση, αλλά αν καταφέρουν να επιβεβαιώσουν τα ευρήματα στο μέλλον με την βοήθεια νέων παρατηρήσεων, τότε θα μπορούμε να μιλήσουμε για ένα σημαντικό βήμα προς την λύση του μυστηρίου γύρω από την σκοτεινή ύλη.

Η σκοτεινή ύλη για μας παραμένει κάτι “αόρατο” -και στο ανθρώπινο μάτι αλλά και σε όλα τα όργανα παρατηρήσεων – όμως γνωρίζουμε για την ύπαρξη της βάση των βαρυτικών επιδράσεων που ασκεί πάνω στην ορατή ύλη. Εκτιμάται ότι αποτελεί περίπου το 85% της συνολικής μάζας του σύμπαντος.

Ο  Joseph Conlon του  Oxford University, που είχε και ηγετικό ρόλο στην έρευνα, ανέφερε ότι αυτό που περιμένουν είναι ότι αυτό το αποτέλεσμα είτε θα καταλήξει να είναι πολύ σημαντικό ή μία τεράστια αποτυχία. Δεν νομίζει ότι υπάρχει κάποιος ενδιάμεσος δρόμος όταν προσπαθεί κανείς να βρει απαντήσεις στα τόσο μεγάλα επιστημονικά ερωτήματα.

Στην ουσία ξεκίνησαν να ερευνούν προς  αυτή την κατεύθυνση όταν το 2014 μία ομάδα αστρονόμων υπό την καθοδήγηση του  Esra Bulbul (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Mass.)  ανακάλυψε μία πολύ υψηλής έντασης ενεργειακή στάθμη στις παρατηρήσεις των  Chandra και XMM-Newton από τα θερμά αέρια που βρίσκονται στο σμήνος των γαλαξιών του Περσέα.

Η ενεργειακή στάθμη που αναφέραμε πιο πάνω μετρήθηκε στα 3.5 keV (κίλο-ηλεκτρονίο-βολτ). Μία τέτοιας έντασης ενεργειακή εκπομπή είναι σχεδόν αδύνατο να εξηγηθεί με τα μέχρι τώρα γνωστά χαρακτηριστικά των αστρονομικών αντικειμένων και φαινομένων, και έτσι προτάθηκε ότι η πηγή της είναι η σκοτεινή ύλη.

Ο  Bulbul και οι συνεργάτες του ανέφεραν επίσης ότι ανάλογες ενεργειακές εκπομπές των 3.5 keV παρατηρήθηκαν σε 73 ακόμα σμήνη γαλαξιών, με την βοήθεια του XMM-Newton.

Η υπόθεση αυτή απέκτησε μεγαλύτερη διάσταση, όταν μόλις μία εβδομάδα μετά την ημέρα υποβολής προς δημοσίευση της παραπάνω ομάδας, μία άλλη ομάδα υπό την καθοδήγηση του  Alexey Boyarsky από το Leiden University στην Ολλανδία, ανέφερε ότι υπάρχουν στοιχεία για την ύπαρξη εκπομπής ενέργειας 3.5 keV στις παρατηρήσεις, από το XMM-Newton, του γαλαξία M31 και στα άκρα του σμήνους του Περσέα, επιβεβαιώνοντας έτσι τα ευρήματα της πρώτης ομάδας.

Βέβαια τα αποτελέσματα των δύο αυτών ομάδων αποτελούν ακόμα θέμα συζήτησης. Διάφοροι αστρονόμοι επιβεβαίωσαν αργότερα την ύπαρξη της ενεργειακής εκπομπής ενώ παρατηρούσαν άλλα αντικείμενα, και για άλλους ήταν αδύνατο να την εντοπίσουν.

Η διαμάχη έφτασε στο τέλος της το 2016, όταν το Hitomi  δεν κατάφερε να εντοπίσει την ενεργειακή εκπομπή των 3.5  keV στο σμήνος του Περσέα. Το Hitomi σχεδιάστηκε ειδικά για να παρακολουθεί με λεπτομέρεια τέτοια χαρακτηριστικά, όπως οι ενεργειακές εκπομπές στο φάσμα των ακτίνων Χ από κοσμικές πηγές.

Όπως αναφέρει η  Francesca Day, συγγραφέας της έρευνας, επίσης από την Οξφόρδη, θα περίμενε κανείς ότι όταν το Hitomi δεν είδε τα 3.5 keV θα τα παρατούσαν. Αντιθέτως όμως, τότε ήταν που κάτι πολύ ενδιαφέρον συνέβη.

Ο Conlon και οι συνεργάτες του επισήμαναν ότι οι φωτογραφίες από το τηλεσκόπιο Hitomi δεν είχαν τόση ευκρίνεια όσο αυτές από το   Chandra. Οπότε τα δεδομένα για το σμήνος του Περσέα ήταν στην ουσία ένας συνδυασμός των σημάτων των ακτίνων Χ από δύο πηγές.

Το περισσότερο ευκρινές τηλεσκόπιο  Chandra μπορεί να κάνει τον διαχωρισμό μεταξύ των δύο περιοχών: την διάχυση των θερμών αερίων που περιβάλλουν τον μεγάλο γαλαξία που βρίσκεται στο κέντρο του σμήνους και την εκπομπή ακτίνων Χ κοντά στην τεράστια μαύρη τρύπα αυτού του γαλαξία.

Ο Bulbul και οι συνεργάτες του απομόνωσαν το σήμα των ακτίνων Χ από αυτά των θερμών αερίων, συμπεριλαμβανομένου και τις ακτίνες Χ από την ύλη που βρίσκεται κοντά στην μαύρη τρύπα για να ελέγξουν αν η διαφορά έχει κάποιο ρόλο. Η ομάδα της Οξφόρδης ανέλυσε ξανά τα δεδομένα από το Chandra, από τις περιοχές κοντά στην μαύρη τρύπα στο κέντρο του σμήνους, το 2009.

Ανακάλυψαν κάτι πολύ περίεργο και ενδιαφέρον. Βρήκαν στοιχεία που δείχνουν μία έλλειψη απ’ ότι περίσσευμα ακτίνων Χ στα 3.5 keV. Αυτό δείχνει ότι κάτι υπάρχει μέσα στο σμήνος που απορροφά τις ακτίνες Χ σε αυτή την στάθμη. Όταν οι ερευνητές συνέθεσαν τα δεδομένα από τα τρία τηλεσκόπια δεν βρήκαν καμία ένδειξη είτε για την έλλειψη είτε για το περίσσευμα στα 3.5 keV, που να είναι συνεπής με τις παρατηρήσεις από το Hitomi.

Η πρόκληση που έχουν να αντιμετωπίσουν, είναι να καταφέρουν να εξηγήσουν αυτή την συμπεριφορά: την παρατήρηση απορρόφησης ακτίνων Χ σε περιοχές κοντά στην μαύρη τρύπα και την εκπομπή ακτίνων Χ στην ίδια ενεργειακή στάθμη, σε περιοχές που βρίσκονται πιο μάκρια, που βρίσκονται θερμά αέρια.

Στην πραγματικότητα, αυτή η συμπεριφορά είναι κάτι που γνωρίζουν εδώ και πολύ καιρό οι αστρονόμοι που μελετούν άστρα με οπτικά τηλεσκόπια. Για το φως από ένα άστρο που περιβάλλεται από ένα νέφος αερίων συνήθως εμφανίζεται απορρόφηση, καθώς κάποια άτομα του νεφελώματος απορροφούν κάποια συγκεκριμένη ενεργειακή στάθμη.

Αυτή η ενέργεια μεταφέρει τα άτομα από χαμηλή ενεργειακή στάθμη σε υψηλότερη. Όμως τα άτομα αυτά γυρνούν γρήγορα σε χαμηλότερη στάθμη με την εκπομπή φωτός συγκεκριμένης ενεργειακής στάθμης. Το φως αυτό όμως εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις και έτσι παρουσιάζεται μία απώλεια  στην συγκεκριμένη στάθμη όταν παρατηρείται το άστρο.

Όταν όμως παρατηρείται ένα νεφέλωμα προς μία διεύθυνση μακριά από το άστρο, μπορεί να ανιχνευθεί μόνο το φως που επανεκπέμπουν τα άτομα. Έτσι παρουσιάζεται στα δεδομένα η εκπομπή των ακτίνων.

Η ομάδα της Οξφόρδης υποθέτει, όπως αναφέρει και στην έρευνα, ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης ίσως έχουν δύο ενεργειακές στάθμες που διαφέρουν κατά 3.5 keV.

Αν ισχύει η υπόθεση τους, θα παρατηρήσουν κάτι αντίστοιχο με αυτό που εξηγήσαμε πιο πάνω: κοντά στην μαύρη τρύπα θα εμφανιστεί απορρόφηση των ακτίνων στα 3.5 keV και σε περιοχές που βρίσκονται τα θερμά αέρια, την εκπομπή τους.

Όπως εξηγεί ο  Nicholas Jennings, όλο αυτό δεν είναι μία απλή εικόνα που μπορεί κανείς να αποτυπώσει, αλλά ίσως να έχουμε βρει τρόπο να δώσουμε μια εξήγηση και για τα ασυνήθιστα σήματα Χ που λαμβάνουμε από τον Περσέα και να αποκαλύψουμε και κάποια πληροφορία σχετικά με την σκοτεινή ύλη.

Το επόμενο βήμα είναι σίγουρα το να συνεχίσουν να παρατηρούν το σμήνος του Περσέα, και άλλα σμήνη, και να συλλέξουν περισσότερα δεδομένα που θα βοηθήσουν στο να επιβεβαιωθεί η υπόθεση τους, ή να καταρριφθεί.

Η σχετική έρευνα με τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκε στο Physical Review D στις 19 Δεκέμβριου του  2017 και μπορείτε να το δείτε και εδώ. Οι υπόλοιποι συγγραφείς είναι οι  Sven Krippendorf και Markus Rummel από το πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.

Πηγή

www.nasa.gov

εικόνα

Composite image of the Perseus galaxy cluster using data from NASA’s Chandra X-ray Observatory, ESA’s XMM-Newton and Hitomi, a Japanese-led X-ray telescope.
Credits: X-ray: NASA/CXO/Fabian et al.; Radio: Gendron-Marsolais et al.; NRAO/AUI/NSF Optical: NASA, SDSS

 

Μοιραστείτε το άρθρο

The following two tabs change content below.
agathan

agathan

Αποφοίτησα απο το τμήμα Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του Πανεπιστημίου Κρήτης. Κάτα την διάρκεια εργάστηκα στην τεχνική υποστήριξη του τμήματος. Ακολούθησε το μεταπτυχιακό μου, Msc In Applied Mathematics at University Of Delaware. Ύστερα δούλεψα για μερικά χρόνια σαν web developer (CMS and what not) και SEO/Google Ads engineer.
Και τώρα είμαστε στο GeekD, μια λέξη που περιγράφει όλα τα παραπάνω.

"All we have to decide is what to do with the time that is given us."
-Gandalf The Grey, JRR Tolkien

Αφήστε ένα σχόλιο

Επιλογές της ομάδας
σκίτσο του Άλμπερτ Αϊνστάιν
Πώς τα μυστικά των πρώτων αριθμών κάνουν τον κόσμο μας ασφαλέστερο
Πώς ο Ερατοσθένης υπολόγισε την περιφέρεια της Γης πάνω από 2000 χρόνια πριν;
Τι θα γινόταν αν ο αυτισμός ήταν ... υπερδύναμη;
Εκπληκτικές φωτογραφίες του Cassini λίγο πριν τη συντριβή του στον Κρόνο