A törpegalaxisok vizsgálata a sötét anyag rejtélyére is fényt deríthet

„A sötét anyag olyan, mint valami hideg folyadék, amely azonban képes mozgásba lendülni és felmelegedni” – áll a  brit Királyi Csillagászati Társaság folyóiratában, a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society-ban január 3-án megjelent tanulmány összefoglalójában. A brit Justin Read, az amerikai Matthew  Walker és a német Peter Steger német asztrofizikusok 16 úgynevezett törpegalaxis vizsgálata alapján jutottak a következtetésre. 

A kutatók megmérték aTejúthoz hasonló, több százmilliárd csillag tömegű átlagos galaxisokkal szemben alig milliárdnyi csillag tömegét kitevő törpegalaxisok középpontjában található sötét anyag mennyiségét és elhelyezkedését. Arra voltak kiváncsiak, miként viselkedik az egymástól eltérő formájú csillaghalmazokban az egyik legnagyobb kozmológiai rejtélynek számító, fluid tulajdonságúnak gondolt anyag, amelynek létezését ugyan már csak a szélsőségesen szkeptikus csillagászok vonják kétségbe, ugyanakkor csak közvetett módszerek állnak rendelkezésre a megfigyeléséhez. 

Az NGC 4449-es szabálytalan törpegalaxis a Hubble felvételénFotó: Wikipédia

A törpék és a sötét anyag

A sötét anyag és a sötét energia természetének megértése a kortárs asztrofizika egyik legfogósabb problémája. A tudomány jelenlegi állása szerint ugyanis a világegyetem anyagmérlegének csak töredékét alkotja a látszó anyag. A domináns mennyiségben előforduló sötét anyag azonban nem bocsát ki elektromágneses sugárzást, így közvetlenül nem látható, hatása kizárólag a gravitáción keresztül jelentkezik. Ezt az úgynevezett gyenge gravitációs lencsézéssel lehet mérni, az eloszlást pedig a mikrohullámú háttérsugárzás detektálásával. Ezek alapján készült el 2015-re az univerzum összetételére vonatkozó eddigi legpontosabb becslés az európai űrügynökség, az ESA által pályára állított Planck-műhold adatainak felhasználásával.

Az univerzum összetétele a 2015-ös mérések szerint: kékkel a sötét, sárgával a hagyományos anyag, lilával pedig a sötét energia százalékos aránya láthatóForrás: ESA

Az asztrofizikusok választása azért esett a száz-, illetve ezermilliárdos csillagvárosok körül keringő törpegalaxisokra, mert a jelenleg leginkább elfogadott elmélet szerint ezekben a csillaghalmazokban a legnagyobb a sötét anyag aránya az univerzumban. Ráadásul ezekben a csillagképződés legkülönbözőbb fázisai is tanulmányozhatók, függően a galaxis típusától és korától. Az asztrofizikusok abból indultak ki, hogy a csillagok létrejötte során azok nagy mennyiségű hagyományos anyagot (port és gázt) fújnak ki a csillagok szülőhelyéről, vagyis a galaxisok középpontjából. Ez az elmozdulás lecsökkenti a középpont tömegét, és megváltoztatja a galaxis gravitációs mezejét. Ez pedig a sötét anyagra is hathat, engedi kifelé áramolni, a gravitációs kölcsönhatás révén pedig a hideg matéria felmelegedhet.

A kutatók azokban a galaxismagokban, amelyekben már befejeződőtt a csillagképződés, jóval nagyobbnak mérték a sötét anyag sűrűségét, illetve tömegét, mint azokban, amelyekben még sorra születtek a csillagok. Következtetéseik szerint a törpegalaxisok közepén található sötét anyag mennyisége és a csillagképződés közötti kapcsolat arra utal, hogy a rejtélyes anyag kölcsönhatásba kerülhet a látható anyaggal, méghozzá kiszámítható módon. Az alábbi, a csillagszületés során létrejövő gravitációs erővonalakat ábrázoló illusztrációt erre hozták fel példának a tanulmány szerzői.

Balra a számítógépes modell, jobbra az IC 1613 törpegalaxis „valódi” képeIllusztráció: University of Oxford

Az asztrofizikusok szerint a 16 törpegalaxis további megfigyelése minden eddiginél közelebb vihet a jelenlegi elméletek szerint a látható anyagi világot folyadékként lebegtető sötét anyag valódi mibenlétének megértéséhez. 

Kétségek, elméletek és bizonyítékok

„A sötét anyag eredetére időnként születnek elméletek, némelyek eléggé, mások kevésbé meggyőzőek. A sötét anyag felfűtésének koncepciója is ezek sorába tartozik” – mondta a felfedezésről Rockenbauer Antal elméleti fizikus, az MTA és az ELTE professzora, a Qubit állandó szerzője. Szerinte a felvetés figyelemre méltó, de korainak tartja kijelenteni, hogy ez lenne a nyerő teória.

„A felfűtési modell arra a megfigyelésre támaszkodik, hogy a törpe galaxisok közül, amelyek centrumában nagyobb a sötét anyag sűrűsége mint a szokásos méretű galaxisokban, az öregebbekben, ahol már a csillagképződési szakasz lezárult, a sötét anyag sűrűsége különösen nagy. A fiatalabb törpegalaxisok kisebb sötétanyag-arányát értelmezik felfűtésként, ami a velejáró szélhatással kisöpri a sötét anyagot a perifériára 

– mondta a professzor, aki hozzátette:

Az írásban arról nem esik szó, hogy mi a kapcsolat a sötét anyag és a fekete lyukak között. Ami számomra problémát okoz az az, hogy csak azt tekintik sötét anyagnak, amelyből elektromágneses sugárzás nem érkezik, csupán a gravitáción keresztül veszünk tudomást létezésükről. De ha ez így van, akkor mi által fűtődik fel a sötét anyag? A csillagképződés elektromágneses sugárzással jár együtt, de ha ezt elnyeli a sötét anyag a felfűtés során, akkor ez az anyag nem viselkedik sötétként, hiszen kölcsönhatásba lépett az elektromágneses sugárzással (pongyolábban a fénnyel).” 

Mérési eredmény: a Planck-műhold univerzumtérképe a mikrohullámú háttérsugárzás 30 és 857 GHz közötti tartományábanForrás: ESA

Sötétanyag-kutatásokról az alábbi cikkeinkben írtunk korábban: