Csillagászok az egyelőre még inkább rejtélyes gyors rádiókitöréseket (Fast Radio Burst, FRB) felhasználva fejtették meg a már régen megjósolt, de idáig még nem detektált “hiányzó anyag” több évtizedes problémáját. A kutatók az összes hiányzó közönséges anyagot megtalálták a galaxisok közötti hatalmas üres térségekben.

A Nature magazinban múlt héten megjelent tanulmány vezető szerzője, Jean-Pierre Macquart (Curtin University, International Centre for Radio Astronomy Research / ICRAR) így kezdi a magyarázatát: “Az ősrobbanással kapcsolatos vizsgálatokból tudjuk, hogy a Világegyetem mennyi közönséges anyagot tartalmazott a születése után. Amikor azonban a mai Univerzumban nézünk szét, csak felét találjuk annak, mint amennyinek lennie kellene. Ez okozott némi zavart. A hiányzó anyag azonban mindössze egy vagy két atomot jelent csak egy átlagos irodai szobáénak megfelelő térfogatban, így a hagyományos távcsövekkel és műszerekkel nagyon nehéz lenne detektálni ezt az anyagot.”

Az Univerzum teljes anyag- és energiatartalmának alig 5%-át adó közönséges, ún. barionos anyag több mint háromnegyed része meglehetősen diffúz, ezért nagyon nehéz detektálni. Közvetlenül megfigyelhető állapotban, a galaxisokban és galaxishalmazokban csak egy kis része található. Az Univerzum közeli tartományaira koncentráló felmérések az általuk okozott elnyelési vonalakat felhasználó spektroszkópiai megfigyelésekkel próbálták észlelni a “láthatatlan” barionokat, de ezek a mérések nagy és bizonytalan korrekciókkal dolgoznak, illetve nem mondanak semmit az Univerzum térfogatának, és így valószínűleg tömegének legnagyobb részéről sem. A kvazárok spektroszkópiája ráadásul vagy csak az összes hidrogén elenyésző részét kitevő atomos hidrogénre, vagy a galaxisokhoz közeli sűrű régiókban található, sokszorosan ionizált, nehezebb elemekben feldúsult gázanyagra érzékeny. A láthatatlan barionok észlelésére kitalált egyéb technikáknak is megvannak a maguk korlátai: az ún. Szunyajev‒Zeldovics-jelenségen alapuló mérések csak a szálas (filamentáris) szerkezeten belüli gázról szolgáltatnak bizonyítékot, a röntgenemissziót használó eljárások pedig csak a galaxishalmazok közelében található gázra érzékenyek.

Macquartnak ausztrál, amerikai és chilei munkatársaival most az égbolton véletlenszerűen eloszló, mindössze néhány ezred másodpercig tartó, a Nap által 80 év alatt kibocsátott összes energiának megfelelő energiavillanások, az ún. gyors rádiókitörések segítségével sikerült közvetlenül is detektálni a hiányzó anyagot. A rádiókitörések lokalizálásával, azaz annak meghatározásával, hogy melyik galaxisban és azon belül is hol következett be az esemény, meghatározható a minta ún. diszperziómértéke (DM), illetve az elektronok látóirányú oszlopsűrűsége, ezen keresztül pedig az adott irányban található összes ionizált barionos anyag számba vehető. A mostanáig ívmásodperces vagy az alatti pontossággal lokalizált gyors rádiókitörésekből álló mintát négy újabbal egészítették ki, amelyek gazdagalaxisainak mért vöröseltolódása rendre 0,291, 0,118, 0,378 és 0,522. Az így kibővített minta már elég nagynak bizonyult ahhoz, meghatározhassák a látóirány menti és a gazdagalaxisokban fennálló diszperziómértéket, amely mindegyik esetben jóval meghaladta a Tejútrendszer korongjának és halójának esetében a magas galaktikus szélességeken várt 30-100 pc cm-3 értéket (pc a parszek rövidítése).

Töltött részecskék – például protonok és elektronok jelenlétében – a rádióhullámok a részecskékkel történő elektromágneses kölcsönhatás, szóródás következtében kicsit késnek a vákuumbeli terjedési sebességükhöz képest, a késleltetés mértéke a rádióhullám frekvenciájának és a szóró töltött részecske tömegének függvénye: minél kisebb a rádióhullám frekvenciája és minél kisebb a részecske tömege, annál nagyobb a késleltetés. A szórás mértékét így leginkább a szabad elektronok határozzák meg. Ha két frekvencián (ν₁ és ν₂) észlelünk, akkor a DM diszperziómérték a köztük mérhető t2–t1 beérkezési időkülönbséggel egyenesen, a GHz-ben mért frekvenciák reciproknégyzetének különbségével pedig fordítottan arányos. A diszperziómérték a szabad elektronok tejútrendszerbeli sűrűségeloszlására vonatkozó modellel együtt távolságindikátorként is használható. Ha ismerjük az ne elektronsűrűséget cm-3-ben megadva, akkor kiszámolható a rádióforrás tőlünk mért D távolsága, mivel DM = ne D.

A kutatók feltételezték, hogy a gyors rádiókitörések mérésekből meghatározható diszperziómértékei négy komponensből állnak össze, ezek a galaktikus csillagközi anyagnak, a Tejútrendszer halóanyagának, a gyors rádiókitörések gazdagalaxisai és azok halói anyagának, illetve az összes többi extragalaktikus gázanyagnak a hozzájárulásai. A közönséges anyagot, illetve sötét anyagot és energiát tartalmazó síkszerű Univerzum paradigmáját elfogadva a negyedik komponensre elméletileg kapható átlagértéket összehasonlították a mért DM-ből a másik három komponens egyéb megfontolásokból, mérésekből ismert értékeit levonva nyert értékkel, és gyakorlatilag kalibrálták a távolságot megadó z vöröseltolódás és a DM közötti összefüggést. Megfogalmazásuk szerint a modell és a mérések közötti egyezés feltűnően jó, a megfelelő szignifikanciaszint eléréséhez ráadásul elég volt hat darab, jól definiált, ívmásodperc alatti pontossággal ismert pozíciójú gyors rádiókitörés méréséből származó adatok figyelembe vétele. Macquart szerint ez a reláció olyan a gyors rádiókitörésekre, mint a Hubble‒Lemaitre-törvény (a távolság és a távolodási sebesség közötti összefüggés) a galaxisokra. A vizsgálatból származtatott kozmikus bariontartalom 0,051/h70, ahol a h70 dimenzió nélküli paraméter a H0 Hubble-állandó 70 km/s/Mpc egységben kifejezett értéke. Az így kapott érték összhangban van mind a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásból származtatható értékkel, mind a hidrogénnél nehezebb elemek ősrobbanáskori keletkezését taglaló elmélet (Big Bang Nucleosynthesis, BBN) előrejelzésével.

Az eredmény elérésében kulcsfontosságú szerepet játszott a Nyugat-Ausztráliában működő ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder) antennarendszer. Ryan Shannon, a tanulmány egyik társszerzőjének magyarázata szerint az ASKAP-nak nagy, a telihold átmérőjénél hatvanszor nagyobb látómezeje és szintén nagy szögfelbontása van, ami azt jelenti, hogy a kitöréseket viszonylag könnyen észrevehetjük, utána pedig a gazdagalaxisokon belüli pozícióikat szinte hihetetlen pontossággal adhatjuk meg. Keith Bannister, a kutatás során felhasznált pulzusdetektáló rendszer tervezője szerint a teleszkópnak és a detektornak a másodperc töredékével jellemezhető reakcióideje teszi lehetővé, hogy a gyors rádiókitörés pozícióját olyan pontossággal határozzuk meg, mint amekkora szög alatt egy emberi hajszál vastagságát láthatnánk 200 méter távolságból.

Forrás: csillagaszat.hu / icrar.org / nature.com