Tajemnicza ciemna materia nie jest widoczna przez teleskopy o żadnym zasięgu. Przejawia się tylko jako efekt grawitacji na zwykłą materię. Wydaje się, że tę smutną prawdę trzeba ponownie przemyśleć. Ku radości naukowców.
W odległej gromadzie galaktyk coś pochłania i ponownie emituje promieniowanie rentgenowskie o określonej energii. A to coś nie może być zwykłą substancją. Taki wniosek został wyciągnięty w badaniu opublikowanym przez grupę badawczą kierowaną przez Josepha P. Conlona z Uniwersytetu Oksfordzkiego. Praca jest dostępna w witrynie arXiv.org preprint.
Według informacji prasowej z badań, ta historia detektywistyczna rozpoczęła się w 2014 roku. Następnie zespół naukowy kierowany przez Ezrę Bulbul (Esra Bulbul) z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge odkrył dziwne zjawisko. Emisja promieniowania rentgenowskiego z gromady galaktyk znanej jako gromada Perseusza pokazała linię emisji widmowej o energii 3,5 keV. Wynik uzyskano przy użyciu instrumentów teleskopów XMM-Newton i Chandra. Tę samą linię znaleziono w promieniowaniu 73 innych gromad galaktyk zarejestrowanych przez teleskop XMM-Newton.
Zaledwie tydzień po opublikowaniu tego wyniku inna grupa, kierowana przez Alexeya Boyarsky'ego z Uniwersytetu w Leiden w Holandii, poinformowała o obserwacji tej samej linii w promieniowaniu galaktyki M31 i obrzeży gromady Perseusza na tym samym instrumencie XMM-Newton.
Żaden znany proces astrofizyczny nie prowadzi do powstania takiej linii. Dlatego astronomowie zasugerowali, że mają do czynienia z promieniowaniem tajemniczej ciemnej materii.
Wielu astronomów próbowało powtórzyć te obserwacje, ale tajemniczą linię znaleziono, a potem nie. Doprowadziło to sceptyków do spekulacji, że naukowcy doświadczyli błędu w działaniu instrumentu lub w przetwarzaniu danych.
W 2016 roku nowy japoński teleskop Hitomi, specjalnie zaprojektowany do obserwacji rentgenowskich linii widmowych, nie był w stanie wykryć linii 3,5 keV w promieniowaniu z gromady Perseusza. Wydawało się, że sprawa została ostatecznie zamknięta. Ale to był tylko kolejny zwrot akcji.
Zespół Conlona zauważył, że obrazy Hitomi były znacznie mniej ostre niż Chandry. Dlatego obraz gromady w Perseuszu mieszał sygnały z dwóch źródeł: promieniowania gorącego gazu zlokalizowanego wokół masywnej galaktyki w centrum gromady oraz światła emanującego z sąsiedztwa supermasywnej czarnej dziury w samym centrum tej galaktyki.
Film promocyjny:
Wyraźniejsze obrazy Chandry pozwalają dostrzec wkład tych źródeł. Korzystając z tego, autorzy byli w stanie osobno przeanalizować udział czarnej dziury i promieniowanie gorącego gazu.
Mając w rękach wczesne obserwacje "Chandry" wykonane w 2009 roku, odkryli zdumiewającą rzecz: zaobserwowano linię widmową o wartości 3,5 keV, ale w "promieniach rentgenowskich" emitowanych przez gaz była to linia promieniowania, aw promieniowaniu czarnej dziury - linia wchłanianie! Jak się okazało, teleskop Hitomi pomieszał wkład z dwóch źródeł, w efekcie linie kompensowały się wzajemnie i dlatego nie były obserwowane. Naukowcy zweryfikowali to, wykonując odpowiednie obliczenia.
Ale jak to się dzieje, że patrząc „bezpośrednio w oczy” czarnej dziury astronomowie wykrywają absorpcję kwantów o energii 3,5 keV i obserwując gaz dostatecznie daleko od niej, wychwytują promieniowanie w postaci tych kwantów?
Zjawisko to jest od dawna znane specjalistom pracującym z teleskopami optycznymi. Wyobraź sobie gwiazdę chronioną przed nami przez chmurę gazu. Gaz pochłania kwanty o określonej energii i natychmiast je ponownie wypromieniowuje. Ale promieniowanie to zachodzi we wszystkich kierunkach: z powrotem do gwiazdy, prostopadle do linii „gwiazda - obserwator” (linia wzroku, jak mówią eksperci) i tak dalej. Dlatego patrząc bezpośrednio na gwiazdę, znajdujemy linię absorpcyjną, ponieważ część kwantów emitowanych przez gwiazdę z tą energią nie dotrze do nas.
Teraz dumnie odwracamy się od gwiazdy i kierujemy wzrok na tę część obłoku, która jest „z boku” niej. Te atomy gazu również pochłaniają promieniowanie gwiazdy, a także ponownie je emitują. Ale tym razem nie widzimy światła samej gwiazdy, rozchodzi się ono pod dużym kątem do linii wzroku. Ale widzimy tę część pochłoniętego światła, które gaz wyemituje w naszym kierunku (w końcu emituje światło równomiernie we wszystkich kierunkach). Dlatego patrząc na te „boczne” obszary gazu, zobaczymy linię promieniowania!
Wydaje się, że wszystko jest cudowne. A sąsiedztwo supermasywnej czarnej dziury naprawdę emituje kwanty o energii 3,5 keV, a także kwanty wielu innych energii z szerokiego zakresu. Aby jednak odtworzyć właśnie opisany obraz, musimy założyć, że w chmurze gorącego gazu wokół galaktyki jest coś, co pochłania kwanty tej samej energii, a następnie ponownie je wypromieniowuje. I, jak wspomniano powyżej, zwykła substancja po prostu nie jest w stanie tego zrobić!
Czyli nadal jest to ciemna materia? Conlon i jego koledzy tak uważają. Opracowali nawet własny model tej tajemniczej substancji, która odtwarza to zachowanie. Jednak autorzy nie dyskontują jeszcze wariantu błędu. Późniejsze badania powinny ostatecznie wyjaśnić tę kwestię.