Zou een vreemd röntgensignaal afkomstig van de Perseus-melkwegcluster een hint kunnen zijn van de ongrijpbare donkere materie in ons heelal?
Met behulp van archiefgegevens van het Chandra X-ray Observatory en de XMM-Newton-missie vonden astronomen een niet-geïdentificeerde röntgenemissielijn of een piek van intensiteit bij een zeer specifieke golflengte van röntgenlicht. Deze piek werd ook gevonden in 73 andere sterrenstelselclusters in XMM-Newton-gegevens.
De wetenschappers stellen voor dat een intrigerende mogelijkheid is dat de röntgenstralen worden geproduceerd door het verval van steriele neutrino's, een hypothetisch type neutrino dat is voorgesteld als kandidaat voor donkere materie en waarvan wordt voorspeld dat het alleen via de zwaartekracht met normale materie interageert.
"We weten dat de verklaring van donkere materie een lange adem is, maar de uitbetaling zou enorm zijn als we gelijk hebben", zei Esra Bulbul van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) in Cambridge, Massachusetts, die de leiding had over de studie. "Dus we blijven deze interpretatie testen en kijken waar het ons heen brengt."
Astronomen schatten dat ongeveer 85 procent van alle materie in het heelal donkere materie is, onzichtbaar voor zelfs de krachtigste telescopen, maar waarneembaar door zijn zwaartekracht.
Clusters van sterrenstelsels zijn goede plekken om naar donkere materie te zoeken. Ze bevatten honderden sterrenstelsels en een enorme hoeveelheid heet gas die de ruimte ertussen vult. Maar metingen van de zwaartekrachtinvloed van clusters van sterrenstelsels tonen aan dat de sterrenstelsels en het gas slechts ongeveer een vijfde van de totale massa uitmaken. De rest zou donkere materie zijn.
Bulbul legde in een bericht op het Chandra-blog uit dat ze wilde proberen op donkere materie te jagen door grote aantallen waarnemingen van sterrenstelsels te “stapelen” (waarnemingen op elkaar te stapelen) om de gevoeligheid van de gegevens afkomstig van Chandra en XMM- te verbeteren. Newton.
"Het grote voordeel van het stapelen van waarnemingen is niet alleen een verhoogde signaal-ruisverhouding (dat wil zeggen de hoeveelheid nuttig signaal vergeleken met achtergrondruis), maar ook de verminderde effecten van detector- en achtergrondfuncties", schreef Bulbul. "De röntgenachtergrondemissie en instrumentaal geluid zijn de belangrijkste obstakels bij de analyse van zwakke objecten, zoals sterrenhoopclusters."
Haar primaire doel bij het gebruik van de stapelingstechniek was het verfijnen van eerdere bovengrenzen op de eigenschappen van donkere materiedeeltjes en misschien zelfs het vinden van een zwakke emissielijn van eerder onopgemerkte metalen.
"Deze zwakke emissielijnen van metalen zijn afkomstig van de bekende atomaire overgangen die plaatsvinden in de hete atmosfeer van sterrenhoopclusters", zegt Bulbul. "Na een jaar lang de XMM-Newton X-ray waarnemingen van 73 melkwegclusters te hebben verminderd, zorgvuldig onderzocht en gestapeld, merkte ik een onverwachte emissielijn op van ongeveer 3,56 kiloelectron volt (keV), een specifieke energie in het röntgenbereik. "
In theorie vervalt een steriel neutrino in een actieve neutrino door een röntgenfoton uit te zenden in het keV-bereik, dat detecteerbaar kan zijn door middel van röntgenspectroscopie. Bulbul zei dat de resultaten van haar team consistent zijn met de theoretische verwachtingen en de bovengrenzen van eerdere röntgenonderzoeken.
Bulbul en haar collega's hebben een jaar gewerkt om het bestaan van de lijn in verschillende deelmonsters te bevestigen, maar ze zeggen dat ze nog veel werk moeten verzetten om te bevestigen dat ze daadwerkelijk steriele neutrino's hebben gedetecteerd.
"Onze volgende stap is het combineren van gegevens van Chandra en JAXA's Suzaku-missie voor een groot aantal melkwegclusters om te zien of we hetzelfde röntgensignaal vinden", zegt co-auteur Adam Foster, ook van CfA. 'Er zijn veel ideeën over wat deze gegevens zouden kunnen betekenen. We weten het misschien pas zeker als Astro-H wordt gelanceerd, met een nieuw type röntgendetector die de lijn nauwkeuriger kan meten dan momenteel mogelijk is. ”
Astro-H is een andere Japanse missie die gepland is om in 2015 te lanceren met een instrument met een hoge resolutie dat betere details in de spectra zou moeten kunnen zien, en Bulbul zei dat ze hoopten in staat te zijn “ondubbelzinnig een astrofysische lijn te onderscheiden van een signaal van donkere materie. en vertel ons wat deze nieuwe röntgenemissie werkelijk is. ”
Omdat de emissielijn zwak is, duwt deze detectie de mogelijkheden van Chandra en XMM Newton in termen van gevoeligheid. Het team zegt ook dat er mogelijk andere verklaringen zijn dan steriele neutrino's als deze röntgenemissielijn als echt wordt beschouwd. Er zijn manieren waarop normale materie in de cluster de lijn zou kunnen hebben geproduceerd, hoewel de analyse van het team suggereerde dat al deze onwaarschijnlijke veranderingen zouden inhouden in ons begrip van de fysieke omstandigheden in de melkwegcluster of de details van de atoomfysica van extreem hete gassen.
De auteurs merken ook op dat zelfs als de steriele neutrino-interpretatie correct is, hun detectie niet noodzakelijkerwijs impliceert dat alle donkere materie uit deze deeltjes bestaat.
Het persbericht van Chandra deelde een interessant kijkje achter de schermen in hoe wetenschap wordt gedeeld en besproken onder wetenschappers:
Vanwege het prikkelende potentieel van deze resultaten plaatsten de auteurs na indiening bij The Astrophysical Journal een kopie van het artikel in een openbaar toegankelijke database, arXiv. Met dit forum kunnen wetenschappers een paper onderzoeken voordat het wordt geaccepteerd in een peer-reviewed tijdschrift. De paper veroorzaakte een golf van activiteit, met 55 nieuwe papers die dit werk al hebben aangehaald, meestal met theorieën die de emissielijn bespreken als mogelijk bewijs voor donkere materie. Sommige artikelen onderzoeken de steriele interpretatie van neutrino's, maar andere suggereren dat verschillende soorten kandidaat-deeltjes van donkere materie, zoals de axion, mogelijk zijn gedetecteerd.
Slechts een week na Bulbul et al. plaatste hun paper op de arXiv, een andere groep, geleid door Alexey Boyarsky van de Universiteit Leiden in Nederland, plaatste een paper op het arXiv-rapportagebewijs voor een emissielijn met dezelfde energie in XMM-Newton-waarnemingen van de melkweg M31 en de rand van de Perseus-cluster. Dit versterkt het bewijs dat de emissielijn echt is en geen instrumenteel artefact.
Verder lezen:
Paper van Bulbul et al.
Chandra persbericht
Persbericht van ESA
Chandra blog
