Magyar asztrofizikus vezetésével végzett kutatás segít feltárni a sötét energia titkait
A Kanári-szigeteken dolgozó Kovács András által vezetett vizsgálatnak köszönhetően közelebb jutottunk a korai világegyetemből hátramaradt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás szokatlanul nagy hideg foltjának, valamint a sötét energia természetének megértéséhez.
Az ősrobbanás után 380 ezer évvel létrejövő kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMBR, cosmic microwave background radiation) a legkorábbi elektromágneses sugárzás, amelyet képesek vagyunk megfigyelni. Átlagos hőmérséklete 2,7 kelvin (-270,45 Celsius-fok), amitől a hideg folthoz hasonló, alacsonyabb hőmérsékletű régiók csupán 0,00007 fokkal térnek el.
Kovács András, a Kanári-szigeteki Asztrofizikai Intézetben (IAC) dolgozó magyar kutató és kollégái a Dark Energy Survey kollaboráció teleszkópos megfigyeléseiből nyert adatokkal igazolták, hogy a hideg folttal egy régióban, a teljesen csak a déli féltekéről látható Eridanus csillagkép irányában valóban egy hatalmas, 1,8 milliárd fényév széles, az átlagosnál kevesebb galaxist tartalmazó kozmikus struktúra, egy úgynevezett szupervoid található.
A kutatók az Eridanus szupervoidot megerősítő eredményeit a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society folyóirat közölte még december közepén, igazolva azt is, hogy az átlagosnál 30 százalékkal kevesebb anyagot tartalmazó struktúra összefügg a hideg folttal, aminek eredete jelentős tudományos viták tárgyát képezi. A kutatók a szupervoid létezésnek igazolásához a sötét anyagot hívták segítségül, ami a világegyetemben lévő anyag 85 százalékát adja, ugyanakkor csak gravitációs hatásán keresztül észlelhető, és jelenleg nem tudni, milyen elemi részecskékből tevődik össze. (A sötét anyag nem keverendő össze a sötét energiával, amely az univerzum gyorsuló tágulásáért felelős, egyelőre ismeretlen természetű energia.)
„A sötét anyag sűrűségének meghatározásához először közel 100 millió galaxis pozíciójáról készített térképet a Dark Energy Surveynek nevezett kollaboráció. Ehhez a feladathoz a chilei Blanco teleszkópra szereltek fel egy 570 megapixeles kamerát, amivel elvégezhetővé vált a déli égbolt egynegyed részének, 6 éven át tartó, szisztematikus feltérképezése, remek minőségű felvételekkel – mondta a Qubitnek a kutatást vezető Kovács. – Az adatokból meghatározható egyrészt a galaxisok hozzávetőleges távolsága, a látható tartományba eső fényük vöröseltolódásának becslése alapján, másrészt a galaxisok képeiben látszó apró torzulások statisztikus detektálásával a gravitációs lencsehatás is mérhető. Utóbbi az adott galaxis és a megfigyelő közti látható és sötét anyag összességével arányos, így ki lehet következtetni a fény útjában lévő sötét anyag sűrűségét is, amiből aztán térképek is rekonstruálhatók."
Kovács munkáját Csabai István, az ELTE TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszékének kutatója, Szapudi István, a Hawaii-i Csillagászati Intézet kutatója, valamint Beck Róbert fizikus és Rácz Gábor, a NASA JPL munkatársának kifinomult, a megfigyelések elemzésére alapuló szimulációs módszerei segítik. A sötét anyag új térképe alapján Kovács és kollégái arra jutottak, hogy az Eridanus szupervoid valóban jóval kisebb sűrűségű környezeténél, és az összes hasonló méretű közül ez a leginkább kitűnő ilyen régió, amit a kutatók eddig rekonstruáltak a Dark Energy Survey első három évnyi adataiból.
Mit árul el az univerzumról az Eridanus szupervoid?
Mi vezethetett az Eridanus szupervoid kialakulásához? „A kozmikus struktúrák tulajdonságait alapvetően két dolog határozza meg. Egyrészt fontosak a kezdeti feltételek, azaz a korai univerzumban létrejövő apró, statisztikus fluktuációk az anyag eloszlásában. Ha az Eridanus szupervoidhoz hasonló hatalmas struktúrát figyelünk meg, akkor az egyik lehetőség egy, az átlagosnál nagyobb negatív irányú, korai sűrűségfluktuáció, ami aztán normál módon fejlődött a világegyetem több milliárd éves tágulása és a gravitációs összehúzódás során" – mondta Kovács.
A kutató szerint egy másik lehetőség az, hogy „egy átlagosnak tekinthető, kezdeti fluktuációból alakult ki a hatalmas, galaxisok kozmikus hálójában ez a régió, ha a struktúraképződés és az univerzum tágulása nem teljesen úgy működik az idősebb univerzumban, ahogy azt a modelljeink alapján várjuk." Kovács úgy látja, hogy még nem dönthető el, hogy az Eridanus szupervoid esetén melyik lehetőség a valószínűbb, de szerinte mindkettő érdekes, és „nagy felfedezés lenne, ha kiderülne, hogy a korai univerzum sűrűségfluktuációi nagyobbak, mint gondoltuk, ahogy az is, ha az univerzum tágulását jelenleg domináló sötét energia természetével nem stimmel valami, és ez például az Eridanus szupervoid alakját is megváltoztathatja."
Bár Kovács és kollégái vizsgálatuk során nem találtak jelentős anomáliákat, az Eridanus szupervoidtól észlelt gravitációs lencsehatás jel 30 százalékkal volt alacsonyabb, mint amire számítottak: „Az új eredményeink közül ez a legérdekesebb, ugyanakkor a leginkább zajos is. Amennyiben ezt további mérésekkel pontosítjuk, akkor kiderülhet, hogy az Eridanus szupervoidot a sötét energia a vártnál is jobban kisimítja a gyorsuló kozmikus tágulás során." Kovács szerint emiatt elképzelhető, hogy „a meghatározott sűrűségfluktuáció a sötét anyag eloszlásában a valóságban kisebb lehet annál, amit mi a galaxisok pozíciói és apró torzulásaik alapján a Lambda-CDM modell [a ma elfogadott kozmológiai modell, amely normál anyag, sötét anyag és sötét energia létezését veszi alapul] alapján rekonstruáltunk." A kutató azt is hozzátette, hogy ez nem lenne teljesen meglepő, mert más eltérések is vannak a Lambda-CDM modell és megfigyelések közt. Ilyen például, hogy „a kozmikus tágulás a vártnál is gyorsabbnak tűnik a [az univerzum tágulásának rátáját megadó] Hubble-állandó egyes jelenlegi mérései szerint, illetve az anyag eloszlása is valamivel simább a lencsehatások statisztikus mérései alapján, mint azt a modell alapján várnánk."
Mennyiben képes megmagyarázni a szupervoid a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hideg foltját, és mit árulhat el mindez a sötét energia természetéről, illetve az univerzumra mért hatásáról? Kovács szerint „mivel a hideg folt a háttérsugárzásban és az Eridanus szupervoid az anyag eloszlásában hasonló eltérésnek számítanak az átlaghoz képest, és mivel az égbolt ugyanazon területén találhatók, adódik a feltételezés, hogy valóban ok-okozati összefüggés lehet köztük." A kutató szerint azonban az a helyzet, hogy a szupervoid a jelenlegi modell mellett csak a hideg folt egy ötödét képes megmagyarázni, ezt pedig figyelembe kell venni, ha a struktúra keletkezésének folyamatát az Integrált Sachs-Wolfe effektus (ISW) segítségével le akarják írni a szakemberek. (Az ISW a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás Földhöz tartó utazása során, részben a sötét energia hatására összeszedett tulajdonsága, ami a fluktuációk egy részéért felelős.)
De mi van, ha nem teljesen pontos a jelenlegi kozmológiai modell?
Kovács szerint a Lambda-CDM modell nagyon pontosan írja le a legtöbb kozmológiai megfigyelést, amivel eddig szembesítették, emiatt feltételezhető, hogy „a hideg folt talán csak egy valószerűtlen, de lehetséges negatív hőmérséklet-fluktuáció a korai univerzumból, amihez az Eridanus szupervoid még egy, gyengébb hideg foltot ad hozzá, és összességében ezért látszik ekkora anomáliának." Kovács szerint ez kompatibilis a ma elfogadott sötét energia modellel is. A másik, izgalmasabb lehetőség az asztrofizikus szerint az, hogy a Lambda-CDM modell a legnagyobb kozmikus méretskálákon nem teljesen érvényes: „Úgy tűnik, hogy akkor tudná az Eridanus szupervoid teljesen megmagyarázni a hideg foltot, ha a sötét energia hatásai a vártnál is erősebbek a késői univerzumban, és a tágulás üteme még gyorsabb, mint korábban gondoltuk."
A kutató szerint ezzel óvatosnak kell lenni, mert ehhez az is szükséges lenne, hogy a homogén és uniform kozmikus tágulás egyszerű modellje valamennyire sérüljön, ami komoly hatást gyakorolna a kozmológiára. Maga a lehetőség viszont érdekes, különösen mivel „egybevágni látszik a Hubble állandó méréseiben látott anomáliákkal, melyekben a lokálisan mért tágulás gyorsabbnak adódik, mint a Lambda-CDM modell alapján számolva." Kovács szerint az elmúlt éveknek az Eridanus szupervoidhoz hasonló, de annál kisebb és távolabbi struktúrák százait célzó megfigyelései alapján a hideg foltok ötször erősebbek is lehetnek a korábban gondoltnál (a most elfogadott elméletek a hideg foltok egyötödét magyarázzák), és „növelik az alternatív hipotézisek helyességének valószínűségét, de még nem bírnak döntő súllyal." Kovács elmondta, hogy a következő 5-6 évben a Dark Energy Survey mellett más obszervatóriumok adatai alapján is szeretné tesztelni az alternatív kozmológiai modelleket. Ezek közül kiemelte az arizoniai, távoli galaxisokat vizsgáló Dark Energy Spectroscopic Instrument műszert, az európai űrügynökség 2023-ban indítandó, közeli-infravörös tartományban mérő Euclid űrtávcsövét, valamint a szintén 2023-ban működésbe lépő chilei Vera Rubin obszervatóriumot.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten: