Kan et merkelig røntgen signal fra Perseus galakse klynge være et hint av den unnvikende mørke materien i vårt univers?
Ved å bruke arkivdata fra Chandra X-ray Observatory og XMM-Newton-oppdraget fant astronomer en uidentifisert røntgenutslippslinje, eller en pigg intensitet ved en veldig spesifikk bølgelengde av røntgenlys. Denne piggen ble også funnet i 73 andre galakse-klynger i XMM-Newton-data.
Forskerne foreslår at en spennende mulighet er at røntgenstrålene blir produsert ved forfall av sterile nøytrinoer, en hypotetisk type nøytrino som er blitt foreslått som en kandidat for mørk materie og er spådd å samhandle med normal materie bare via tyngdekraften.
"Vi vet at den mørke saken forklaringen er et langt skudd, men utbetalingen vil være enorm hvis vi har rett," sa Esra Bulbul fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) i Cambridge, Massachusetts, som ledet studere. "Så vi kommer til å fortsette å teste denne tolkningen og se hvor den tar oss."
Astronomer anslår at omtrent 85 prosent av all materie i universet er mørk materie, usynlig for selv de kraftigste teleskopene, men detekterbar ved gravitasjonstrekket.
Galaxy-klynger er gode steder å lete etter mørk materie. De inneholder hundrevis av galakser, så vel som en enorm mengde varm gass som fyller rommet mellom dem. Men målinger av gravitasjonspåvirkningen fra galakse klynger viser at galaksene og gassen bare utgjør omtrent en femtedel av den totale massen. Resten antas å være mørk materie.
Bulbul forklarte i et innlegg på Chandra-bloggen at hun ville prøve å jakte på mørk materie ved å "stable" (lagvise observasjoner oppå hverandre) et stort antall observasjoner av galakse-klynger for å forbedre følsomheten til dataene fra Chandra og XMM- Newton.
"Den store fordelen med stabling av observasjoner er ikke bare et økt signal-til-støy-forhold (det vil si mengden nyttig signal sammenlignet med bakgrunnsstøy), men også de reduserte effektene av detektor og bakgrunnsfunksjoner," skrev Bulbul. "Røntgenbakgrunnsutslipp og instrumental støy er de viktigste hindringene i analysen av svake objekter, for eksempel galakse klynger."
Hennes primære mål med bruk av stablingsteknikken var å avgrense tidligere øvre grenser for egenskapene til mørkstoffpartikler og kanskje til og med finne en svak utslippslinje fra tidligere uoppdagede metaller.
"Disse svake utslippslinjene fra metaller stammer fra de kjente atomovergangene som finner sted i de varme atmosfærene i galakse-klynger," sa Bulbul. ”Etter å ha brukt et år på å redusere, nøye undersøke og stable XMM-Newton røntgenobservasjoner av 73 galakse-klynger, la jeg merke til en uventet utslippslinje på rundt 3,56 kilo elektron volt (keV), en spesifikk energi i røntgenområdet. ”
I teorien forfaller en steril nøytrino til en aktiv nøytrino ved å avgi et røntgenfoton i keV-området, som kan påvises gjennom røntgenspektroskopi. Bulbul sa at teamets resultater stemmer overens med de teoretiske forventningene og de øvre grensene som ble lagt ved tidligere røntgen-søk.
Bulbul og hennes kolleger jobbet i et år for å bekrefte eksistensen av linjen i forskjellige underprøver, men de sier at de fortsatt har mye arbeid å gjøre for å bekrefte at de faktisk har oppdaget sterile nøytrinoer.
"Vårt neste trinn er å kombinere data fra Chandra og JAXAs Suzaku-oppdrag for et stort antall galakse-klynger for å se om vi finner det samme røntgen-signalet," sa medforfatter Adam Foster, også til CfA. “Det er mange ideer der ute om hva disse dataene kan representere. Vi vet kanskje ikke sikkert før Astro-H lanseres, med en ny type røntgendetektor som vil kunne måle linjen med mer presisjon enn for øyeblikket mulig. "
Astro-H er et annet japansk oppdrag som er planlagt lansert i 2015 med et høyoppløselig instrument som skal kunne se bedre detaljer i spektrene, og Bulbul sa at de håper å kunne “utvetydig skille en astrofysisk linje fra et mørk materie signal og fortell oss hva dette nye røntgenutslippet virkelig er. ”
Siden utslippslinjen er svak, skyver denne oppdagelsen mulighetene Chandra og XMM Newton med tanke på følsomhet. Teamet sier også at det kan være andre forklaringer enn sterile nøytrinoer hvis denne røntgenutslippslinjen anses å være reell. Det er måter som normal materie i klyngen kunne ha produsert linjen, selv om teamets analyse antydet at alle disse ville innebære usannsynlige endringer i vår forståelse av fysiske forhold i galakse klyngen eller detaljene i atomfysikken til ekstremt varme gasser.
Forfatterne bemerker også at selv om den sterile nøytrino-tolkningen er korrekt, innebærer deteksjonen deres ikke nødvendigvis at alt mørkt stoff er sammensatt av disse partiklene.
Pressemeldingen fra Chandra delte en interessant bakgrunn bak kulissene hvordan vitenskapen deles og diskuteres blant forskere:
På grunn av det fristende potensialet til disse resultatene, etter at de hadde sendt inn i The Astrophysical Journal, la forfatterne ut en kopi av papiret til en offentlig tilgjengelig database, arXiv. Dette forumet lar forskere undersøke et papir før det godtas i en fagfellevurdert tidsskrift. Papiret antente en mengde aktivitet, med 55 nye artikler som allerede har sitert dette arbeidet, hovedsakelig involvert teorier som diskuterte utslippslinjen som mulig bevis for mørk materie. Noen av papirene utforsker den sterile neutrino-tolkningen, men andre antyder at forskjellige typer kandidatmørke partikler, for eksempel aksjonen, kan ha blitt oppdaget.
Bare en uke etter Bulbul et al. plasserte papirene sine på arXiv, en annen gruppe, ledet av Alexey Boyarsky fra Leiden University i Nederland, plasserte et papir på arXiv som rapporterte bevis for en utslippslinje med samme energi i XMM-Newton observasjoner av galaksen M31 og utkanten av Perseus-klyngen. Dette styrker beviset for at utslippslinjen er reell og ikke en instrumentell artefakt.
Videre lesning:
Paper av Bulbul et al.
Pressemelding fra Chandra
ESAs pressemelding
Chandra-blogg
