Kan en märklig röntgenstrålningssignal som kommer från Perseus galaxkluster vara ett antydande av den svårfångade mörka materien i vårt universum?
Med hjälp av arkivdata från Chandra X-ray Observatory och XMM-Newton-uppdraget hittade astronomer en oidentifierad röntgenstrålningslinje, eller en intensitetspik på en mycket specifik våglängd för röntgenstrålningsljus. Denna spik hittades också i 73 andra galaxkluster i XMM-Newton-data.
Forskarna föreslår att en spännande möjlighet är att röntgenstrålarna produceras genom förfall av sterila neutrino, en hypotetisk typ av neutrino som har föreslagits som en kandidat för mörk materia och som förutsägs interagera med normal materia endast via tyngdkraften.
"Vi vet att förklaringen på mörk materia är ett långt skott, men betalningen skulle vara enorm om vi har rätt," sa Esra Bulbul från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) i Cambridge, Massachusetts, som ledde studie. "Så vi kommer att fortsätta testa denna tolkning och se var den tar oss."
Astronomer uppskattar att ungefär 85 procent av all materia i universum är mörk materia, osynlig för även de mest kraftfulla teleskopen, men detekterbar med dess gravitationsdrag.
Galaxy-kluster är bra ställen att leta efter mörk materia. De innehåller hundratals galaxer samt en enorm mängd varm gas som fyller utrymmet mellan dem. Men mätningar av galaxklyngens gravitationspåverkan visar att galaxerna och gasen endast utgör ungefär en femtedel av den totala massan. Resten anses vara mörk materia.
Bulbul förklarade i ett inlägg på Chandra-bloggen att hon ville försöka jaga efter mörkt ämne genom att ”stapla” observationer ovanpå varandra) ett stort antal observationer av galaxkluster för att förbättra känsligheten för uppgifterna från Chandra och XMM- Newton.
"Den stora fördelen med att stapla observationer är inte bara ett ökat signal-till-brusförhållande (det vill säga mängden användbar signal jämfört med bakgrundsljud), utan också de minskade effekterna av detektor och bakgrundsfunktioner," skrev Bulbul. "Röntgenstråleutsläpp och instrumentbrus är de viktigaste hinderna i analysen av svaga föremål, till exempel galaxkluster."
Hennes främsta mål med att använda staplingstekniken var att förfina tidigare övre gränser för egenskaperna hos mörka materialpartiklar och kanske till och med hitta en svag emissionslinje från tidigare oupptäckta metaller.
"Dessa svaga utsläppslinjer från metaller härstammar från de kända atomövergångarna som äger rum i de heta atmosfärerna i galaxkluster," sade Bulbul. ”Efter att ha tillbringat ett år på att minska, noggrant undersöka och stapla XMM-Newton röntgenobservationer av 73 galaxkluster, såg jag en oväntad utsläppslinje på cirka 3,56 kilo elektron volt (keV), en specifik energi inom röntgenområdet. ”
I teorin sönderfaller en steril neutrino till en aktiv neutrino genom att avge en röntgenfoton i keV-området, vilket kan detekteras genom röntgen-spektroskopi. Bulbul sa att hennes teams resultat överensstämmer med de teoretiska förväntningarna och de övre gränserna från tidigare röntgensökningar.
Bulbul och hennes kollegor arbetade i ett år för att bekräfta förekomsten av linjen i olika delprover, men de säger att de fortfarande har mycket arbete att göra för att bekräfta att de faktiskt har upptäckt sterila neutriner.
"Vårt nästa steg är att kombinera data från Chandra och JAXA: s Suzaku-uppdrag för ett stort antal galaxkluster för att se om vi hittar samma röntgenstrålesignal," sa medförfattare Adam Foster, också CfA. ”Det finns många idéer om vad dessa data kan representera. Vi kanske inte vet med säkerhet förrän Astro-H lanseras, med en ny typ av röntgendetektor som kommer att kunna mäta linjen med mer precision än för närvarande möjligt. ”
Astro-H är ett annat japanskt uppdrag som planeras lanseras 2015 med ett högupplöst instrument som borde kunna se bättre detaljer i spektra, och Bulbul sa att de hoppas kunna "entydigt skilja en astrofysisk linje från en mörk materiesignal och berätta vad denna nya röntgenutsläpp verkligen är. ”
Eftersom emissionslinjen är svag, driver denna detektering kapaciteten Chandra och XMM Newton när det gäller känslighet. Teamet säger också att det kan finnas andra förklaringar än sterila neutrinoer om denna röntgenutsläppslinje bedöms vara verklig. Det finns sätt som normal materia i klustret kan ha skapat linjen, även om teamets analys antydde att alla dessa skulle innebära osannolika förändringar i vår förståelse av fysiska förhållanden i galaxklyngen eller detaljerna i atomfysiken i extremt heta gaser.
Författarna noterar också att även om den sterila neutrino-tolkningen är korrekt, innebär deras upptäckt inte nödvändigtvis att all mörk materia består av dessa partiklar.
Pressmeddelandet i Chandra delade ett intressant bakom kulisserna när man tittar på hur vetenskapen delas och diskuteras bland forskare:
På grund av den svåra potentialen hos dessa resultat, efter att ha skickat till The Astrophysical Journal, publicerade författarna en kopia av uppsatsen till en offentligt tillgänglig databas, arXiv. Detta forum gör det möjligt för forskare att undersöka ett papper innan det accepteras i en peer-granskad tidskrift. Papperet antände en rörelse av aktivitet, med 55 nya artiklar som redan har citerat detta arbete, främst involverade teorier som diskuterade utsläppslinjen som möjliga bevis för mörk materia. En del av tidningarna undersöker den sterila neutrino-tolkningen, men andra föreslår olika typer av kandidatpartiklar av mörkt material, såsom axion, kan ha upptäckts.
Bara en vecka efter Bulbul et al. placerade sitt papper på arXiv, en annan grupp, ledd av Alexey Boyarsky från Leiden University i Nederländerna, placerade ett papper på arXiv som rapporterar bevis för en utsläppslinje vid samma energi i XMM-Newton observationer av galaxen M31 och utkanten av Perseus-klustret. Detta stärker bevisen på att utsläppslinjen är verklig och inte en instrumentell artefakt.
Vidare läsning:
Paper av Bulbul et al.
Chandra pressmeddelande
ESA: s pressmeddelande
Chandra-blogg
