Et nyt twist i den mørke materie

En innovativ fortolkning af røntgendata fra en klynge af galakser kan hjælpe forskere med at opfylde en søgen, de har været på i årtier:at bestemme arten af ​​mørkt stof.

Fundet indebærer en ny forklaring på et sæt resultater foretaget med NASAs Chandra X-ray Observatory, ESAs XMM-Newton og Hitomi, et japansk-ledet røntgenteleskop. Hvis det bekræftes med fremtidige observationer, dette kan repræsentere et stort skridt fremad i forståelsen af ​​det mystiske, usynligt stof, der udgør omkring 85% af materien i universet.

"Vi forventer, at dette resultat enten vil være enormt vigtigt eller en total dud, "sagde Joseph Conlon fra Oxford University, der ledede det nye studie." Jeg tror ikke, at der er et halvvejs, når du leder efter svar på et af de største spørgsmål inden for videnskab. "

Historien om dette arbejde startede i 2014, da et team af astronomer ledet af Esra Bulbul (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge, Mass.) Fandt en stigning i intensitet ved en meget specifik energi i Chandra og XMM-Newton-observationer af den varme gas i Perseus-galaksehoben.

Denne spids, eller emissionsledning, er ved en energi på 3,5 kiloelektron volt (keV). Intensiteten af ​​3,5 keV emissionslinjen er meget vanskelig, hvis ikke umulig, at forklare i form af tidligere observerede eller forudsagte træk fra astronomiske objekter, og derfor blev et mørkt stof oprindelse foreslået. Bulbul og kolleger rapporterede også om eksistensen af ​​3,5 keV-linjen i en undersøgelse af 73 andre galaksehobe ved hjælp af XMM-Newton.

Plottet i denne mørke sag fortykkede, da kun en uge efter Bulbul's team indsendte deres papir en anden gruppe, ledet af Alexey Boyarsky fra Leiden University i Holland, rapporteret bevis for en emissionslinje ved 3,5 keV i XMM-Newton-observationer af galaksen M31 og udkanten af ​​Perseus-klyngen, bekræfter Bulbul et al. resultat.

Imidlertid, disse to resultater var kontroversielle, med andre astronomer, der senere opdagede 3,5 keV -linjen, når de observerede andre objekter, og nogle undlader at opdage det.

Debatten syntes at være løst i 2016, da Hitomi specielt designet til at observere detaljerede funktioner såsom linjeemission i røntgenspektre af kosmiske kilder, kunne ikke registrere 3,5 keV -linjen i Perseus -klyngen.

"Man kan tro, at når Hitomi ikke så 3.5 -kevlinjen, som vi lige ville have kastet håndklædet i for denne undersøgelseslinje, "sagde medforfatter Francesca Day, også fra Oxford. "Tværtimod, Det er her, som i enhver god historie, der opstod et interessant plot twist. "

Conlon og kolleger bemærkede, at Hitomi -teleskopet havde meget fuzzier billeder end Chandra, så dens data om Perseus-klyngen faktisk består af en blanding af røntgensignaler fra to kilder:en diffus komponent af varm gas, der omslutter den store galakse i midten af ​​klyngen og røntgenstråling fra nær det supermassive sorte hul i denne galakse. Chandra's skarpere vision kan adskille bidraget fra de to regioner. Udnytter dette, Bulbul et al. isolerede røntgensignalet fra den varme gas ved at fjerne punktkilder fra deres analyse, herunder røntgenstråler fra materiale nær det supermassive sorte hul.

For at teste, om denne forskel var vigtig, Oxford-teamet genanalyserede Chandra-data fra tæt på det sorte hul i midten af ​​Perseus-klyngen taget i 2009. De fandt noget overraskende:beviser for et underskud frem for et overskud af røntgenstråler ved 3,5 keV. Dette tyder på, at noget i Perseus absorberer røntgenstråler ved denne nøjagtige energi. Da forskerne simulerede Hitomi-spektret ved at tilføje denne absorptionsledning til varmgasens emissionslinje set med Chandra og XMM-Newton, de fandt ingen beviser i det opsummerede spektrum for hverken absorption eller emission af røntgenstråler ved 3,5 keV, i overensstemmelse med Hitomi -observationer.

Udfordringen er at forklare denne adfærd:detektering af absorption af røntgenlys ved observation af det sorte hul og udsendelse af røntgenlys ved samme energi, når man ser på den varme gas i større vinkler væk fra det sorte hul.

Faktisk, sådan adfærd er velkendt for astronomer, der studerer stjerner og skyer af gas med optiske teleskoper. Lys fra en stjerne omgivet af en gassky viser ofte absorptionslinjer, der produceres, når stjernelys af en bestemt energi absorberes af atomer i gasskyen. Absorptionen sparker atomerne fra en lav til en høj energitilstand. Atomet falder hurtigt tilbage til lavenergitilstanden med lysemission fra en bestemt energi, men lyset udsendes igen i alle retninger, producerer et nettotab af lys ved den specifikke energi - en absorptionslinje - i stjernens observerede spektrum. I modsætning, en observation af en sky i en retning væk fra stjernen ville kun registrere det genudsendte, eller fluorescerende lys ved en bestemt energi, som ville vise sig som en emissionslinje.

Oxford -teamet foreslår i deres rapport, at partikler af mørkt stof kan være som atomer ved at have to energitilstande adskilt med 3,5 keV. Hvis så, det kunne være muligt at observere en absorptionslinje ved 3,5 keV ved observation i vinkler tæt på det sorte huls retning, og en emissionslinje, når man ser på klyngens varme gas i store vinkler væk fra det sorte hul.

"Dette er ikke et simpelt billede at male, men det er muligt, at vi har fundet en måde at både forklare de usædvanlige røntgensignaler, der kommer fra Perseus og afsløre et tip om, hvad mørkt stof egentlig er, "sagde medforfatter Nicholas Jennings, også af Oxford.

For at skrive det næste kapitel i denne historie, astronomer får brug for yderligere observationer af Perseus -klyngen og andre som den. For eksempel, flere data er nødvendige for at bekræfte faldets virkelighed og for at udelukke en mere dagligdags mulighed, nemlig at vi har en kombination af en uventet instrumental effekt og et statistisk usandsynligt fald i røntgenstråler ved en energi på 3,5 keV. Chandra, XMM-Newton og fremtidige røntgenmissioner vil fortsat observere klynger for at løse mysteriet om mørkt stof.

Et papir, der beskriver disse resultater, blev offentliggjort i Fysisk gennemgang D den 19. december, 2017 og et fortryk er tilgængeligt online.