Titokzatos sötét anyag? Nem egészen…
Az univerzum anyagának jelentős része nem látható közvetlenül. A kozmológiai számítások szerint, ha csak az anyagot nézzük, annak körülbelül 17 százaléka közönséges, úgynevezett barionos anyag, míg a többi sötét anyag. A barionos anyagból épülnek fel a csillagok, a bolygók, a gázfelhők és mi magunk is.
A galaxisokban megfigyelhető csillagok, bolygók és gázfelhők tömege azonban csak töredéke annak, amennyinek a világegyetem korai állapota alapján jelen kellene lennie. A kutatók ezért régóta próbálják kideríteni, hová került a közönséges anyag jelentős része.
Fontos, hogy nem a titokzatos sötét anyagról van szó. Az új kutatás a jól ismert atomokat alkotó, közönséges anyagot vizsgálta, amely rendkívül ritka, ionizált gáz formájában rejtőzhet a galaxisok közötti térben.
Az univerzum hiányzó anyaga a galaxisok körül rejtőzik
A Massachusettsi Műszaki Egyetem, az MIT kutatói által vezetett nemzetközi csoport arra jutott, hogy a hiányzó barionos anyag jelentős része valójában a galaxisokon kívül található. Az anyag azonban nem közvetlenül a galaxisok látható pereme körül gyűlik össze. Hatalmas, ritka gázfelhőket alkot, amelyek mélyen benyúlnak a galaxisok közötti térbe.
Egy átlagos nagy galaxis átmérője néhány százezer fényév lehet, a kutatók által kimutatott anyag viszont egyes esetekben mintegy négymillió fényévnyi távolságig terjedhet a galaxisok körül. Ez jóval nagyobb terület annál, mint amit a korábbi számítógépes modellek jeleztek.
Gyors rádiókitörések árulták el a láthatatlan anyagot
A kutatók az úgynevezett gyors rádiókitöréseket, angol nevükön fast radio burstöket, röviden FRB-ket használták kozmikus mérőeszközként. Ezek a rendkívül erős, mindössze néhány ezredmásodpercig tartó rádiójelek távoli galaxisokból érkeznek. Miközben több milliárd fényévet tesznek meg a Föld felé, áthaladnak a világűrben található anyagon.
A rádiójel különböző hullámhosszúságú összetevői nem teljesen egyszerre érkeznek meg hozzánk. Az útjukba kerülő szabad elektronok kissé széthúzzák, vagyis időben elkenik a jelet. Minél több ionizált anyagon halad át a rádiókitörés, annál erősebb ez a hatás. Az FRB-k ezért egyfajta kozmikus átvilágításként működnek: magukon hordozzák annak az anyagnak a nyomát, amelyen keresztülhaladtak.
Közel háromezer rádiójelet vetettek össze hatmillió galaxissal
A kutatócsoport a kanadai CHIME rádióteleszkóp második katalógusában szereplő 2870 gyors rádiókitörés adatait elemezte. Ezeket összevetették a DESI égboltfelmérés közel hatmillió galaxisának elhelyezkedésével.
A szakemberek azt vizsgálták, hogy az FRB-jelek torzulása milyen kapcsolatot mutat az előtérben elhelyezkedő galaxisokkal. A statisztikai elemzésből kirajzolódott, hogy ahol több galaxis található, ott nagyobb mennyiségű diffúz, ionizált anyag is jelen van. Nem arról van tehát szó, hogy a csillagászok közvetlen fényképet készítettek a láthatatlan gázfelhőkről. A rádiójelek szóródása és a galaxisok eloszlása közötti kapcsolatból tudták meghatározni, hol és milyen kiterjedésben helyezkedhet el az anyag.
A Physical Review Letters folyóiratban megjelent tanulmány szerzői szerint ez az első egyértelmű kimutatása annak, hogy az FRB-jelek szóródása statisztikai kapcsolatban áll a világegyetem nagy léptékű szerkezetével. Az eredmény 4,9 szigmás statisztikai jelentőségű volt.
Hogyan kerülhetett ilyen messze az anyag?
A gáz valószínűleg eredetileg a galaxisokban vagy azok közvetlen környezetében helyezkedett el, majd rendkívül energikus folyamatok lökték ki onnan. Ilyen folyamat lehet a nagy tömegű csillagok felrobbanása. A szupernóvákból kiinduló lökéshullámok hatalmas mennyiségű gázt képesek kisöpörni a környezetükből.
A galaxisok középpontjában található szupernagy tömegű fekete lyukak szintén szerepet játszhatnak. Amikor egy fekete lyuk körül nagy mennyiségű anyag gyűlik össze, rendkívül erős anyag- és energianyalábok indulhatnak el a környezetéből.
A galaxisokban zajló ilyen folyamatokat összefoglalóan visszacsatolásnak nevezik. A mostani eredmények alapján a csillagok és az aktív fekete lyukak visszacsatolása sokkal nagyobb távolságokba juttathatja el a gázt, mint a legtöbb szimuláció korábban feltételezte.
Kiyoshi Masui, az MIT fizikusa szerint a mérések azt mutatják, hogy a csillagtevékenység és a fekete lyukak aktivitása erősebb és jóval hevesebb lehet az eddig előre jelzettnél. Haochen Wang, a tanulmány egyik vezető szerzője pedig a galaxisokat olyan szökőkutakhoz hasonlította, amelyek hatalmas távolságokra lövellnek ki gázt.
Nincs válasz minden kérdésre az univerzum hiányzó anyaga körül
Az eredmény fontos lépés a hiányzó barionos anyag feltérképezésében, de nem jelenti azt, hogy a kutatók már minden egyes atom helyét pontosan ismerik. A tanulmány készítői is óvatosságra intenek. A mért jel és a lehetséges rendszerhibák modellezése még nem teljes, ezért a gáz pontos eloszlására és mennyiségére vonatkozó számításokat további adatokkal kell finomítani.
A CHIME ugyanakkor folyamatosan újabb gyors rádiókitöréseket érzékel. Minél több FRB-jel áll rendelkezésre, annál részletesebben térképezhetik fel a kutatók a galaxisok közötti ritka gázt. A módszer közben persze nemcsak az univerzum hiányzó anyagának nyomába vezethet el: segíthet megérteni azt is, hogyan növekednek és változnak a galaxisok, valamint miként befolyásolják fejlődésüket a csillagrobbanások és a központi fekete lyukakból kiinduló folyamatok.
és via
Fotó: illusztráció, Getty Images
