A csillagászok már évtizedeket töltöttek olyasminek a keresésével, amit látszólag nehéz lenne elveszíteni. Ez az Univerzum “közönséges” anyagának közel harmada. A NASA Chandra röntgenobszervatóriuma azonban segített abban, hogy magyar kutatók vezetésével behatárolják a megfoghatatlan kiterjedésű hiányzó anyag lehetséges helyét.

Független, jól megalapozott megfigyelésekből a kutatók elég nagy biztonsággal meghatározták, hogy közvetlenül az ősrobbanás után mennyi közönséges anyag – hidrogén, hélium és egyéb elem – keletkezett. Az első néhány perc és az első néhány milliárd év között a közönséges anyag nagy része csillagokká, gázzá, és más, a mai Univerzumban megfigyelhető objektumokká szerveződött.

Azonban ha a csillagászok összegzik az összes csillag, galaxis, gáz és egyéb objektum tömegét, kb. harmadával kevesebb jön ki, mint amennyinek kellene. (Ezt a hiányzó anyagot nem szabad összekeverni a még mindig rejtélyes sötét anyaggal.)

Az egyik elképzelés szerint ez a hiányzó tömeg gigantikus szálakat vagy filamenteket alkotó meleg (100 ezer kelvinnél kisebb hőmérsékletű) vagy forró (100 ezer kelvinnél magasabb hőmérsékletű) gáz formájában a galaxisok közötti térben bújik meg. A csillagászok a WHIM (warm-hot intergalactic medium) névvel illetik ezeket a filamenteket. Az optikai távcsövek számára láthatatlanok, néhány meleg filamentet azonban az ultraibolya tartományban már detektáltak. A közönséges anyag durván harmada azonban még mindig hiányzik.

A Chandra és más teleszkópok adatai alapján egy új eljárással a kutatók most új, megalapozott bizonyítékot találtak a WHIM forró komponensének létezésére.

“Ha megtaláljuk ezt a hiányzó tömeget, megoldhatjuk az asztrofizikai egyik legnagyobb talányát” – mondja Kovács Orsolya, a Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (Cambridge, Massachusetts) munkatársa. “Vajon hova rejthette el az Univerzum a csillagokat, bolygókat és végső soron bennünket is alkotó anyagának ilyen jelentős részét?”

Az új eredmény eléréséhez egy tőlünk 3,5 milliárd fényév távolságra lévő kvazár (gyorsan növekvő szupernagy tömegű fekete lyuk által működtetett fényes röntgenforrás) irányában vizsgálták a meleg gáz alkotta filamenteket. Ha az ezekkel társult WHIM-nek van forró komponense, a kvazár röntgensugárzásának egy részét a gáz elnyeli. Ennek a nyomát keresték tehát a kvazár Chandra által detektált röntgenfényében.

A módszer alkalmazásával járó kihívások egyike, hogy a WHIM által okozott abszorpciós színképvonalak gyengék a kvazárból érkező teljes röntgenfluxussal összehasonlítva. Ezért a különböző hullámhosszakon érkező röntgensugárzás intenzitás-eloszlását vizsgálva nehéz megkülönböztetni a keresett elnyelési struktúrákat a véletlen ingadozásoktól, ami a WHIM “hamis pozitív” azonosítását eredményezi.

Kovács Orsolya és csoportja úgy próbálta áthidalni ezt a problémát, hogy csak a röntgenspektrum bizonyos részeire koncentráltak, a lehető legkisebbre csökkentve így a hamis pozitív azonosítások valószínűségét. Keresési technikájukat a kvazár látóirányának közelébe eső galaxisok azonosításával finomították, amelyek ugyanakkora távolságban vannak tőlünk, mint az ultraibolya tartományban már detektált meleg gáz területei. Ezek a régiók rögzítették a kvazár és köztünk elhelyezkedő valószínűsíthető filamentek távolságát. Az eljárással 17 filamentet találtak.

Az Univerzum tágulása miatt a filamentek anyagának röntgensugárzásában fellépő bármely elnyelési vonal a hosszabb hullámhosszak felé tolódik el. Az eltolódás mértéke a filament ismert távolságától függ, így a csoport már eleve tudta, hol kell keresnie a WHIM-től származó abszorpciót a színképben.

“Az eljárásunk lényegében hasonlít ahhoz, ahogyan Afrika óriási szavannáin keresnénk az állatokat” – világít rá a módszer lényegére Bogdán Ákos (CfA), az eredményeket részletező szakcikk egyik társszerzője. “Tudjuk, hogy az állatoknak vízre van szükségük, ezért célszerű először az itatók környékén keresni őket.”

Miközben a keresés szűkítése segített, a kutatóknak a röntgenabszorpció csekély mértéke által okozott problémát is sikerült leküzdeniük. Ötletes módot találtak a jel felerősítésére.

Minden egyes filament esetében az egész spektrumot eltolták az Univerzum tágulásának megfelelő hullámhosszal, majd az így nyert színképeket összeadták, az eredményül kapott összegspektrumban pedig a WHIM-től származó abszorpciós vonal már sokkal erősebb volt, mint az egyedi színképekben.

Az eljárás segítségével az összesen 5,5 nap expozíciós idejű adatok jel/zaj viszonya akkora lett, mintha majdnem 100 napig gyűjtötte volna a Chandra a fotonokat a forrásról. Így az az abszorpciós vonal, amely az egyedi spektrumokban nem is látszott, itt egyértelműen kiugrott. Egyébként a hatszorosan ionizált oxigén egyik vonaláról van szó, amelynek a tulajdonságai azt jelzik, hogy a gerjesztődés helyén a hőmérséklet kb. 1 millió kelvin, de a kutatók az oszlopsűrűségére (gyakorlatilag a mennyiségére) is becslést tudtak adni.

Az oxigénből a teljes elempalettára extrapolálva Kovács és munkatársai azt mondják, hogy teljes mértékben számot tudnak adni a hiányzó anyagról.

“Borzongató érzés, hogy ki tudtuk nyomozni a hiányzó anyag egy részének hollétét” – teszi hozzá a cikk másik társszerzője, Randall Smith, aki szintén a CfA munkatársa. “A jövőben más kvazárok adataira is alkalmazhatjuk ugyanezt a módszert, hogy meggyőződjünk, tényleg megoldottuk-e ezt a hosszú múltra visszatekintő rejtélyt.”

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal c. folyóiratban jelent meg.

Forrás: csillagaszat.hu / chandra.harvard.edu / arxiv.org