A sötét anyag nyomában - 2. rész: égi nyomok keresése

Kitartóan keresik a sötét anyagot a fizikusok. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelhető sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelőre a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetően, pedig már számos detektort építettek a kimutatására. Összeállításunk első részében egzotikus részecskéket mutattunk be, most pedig azt vizsgáljuk meg, hogyan keresik a csillagászok a sötét anyagot az égbolton.

Mára kiderült, hogy a galaxisok csillagai és sugárzó anyagfelhői, vagyis a "látványos" megjelenésű, műszereinkkel érzékelhető égitestek a Világegyetem teljes anyagának csak kis részét képezik. Ugyancsak ismeretlen jellege miatt kapta a sötét jelzőt az az energia, amely a gravitáció ellen hatva a Világegyetem egyre gyorsuló tágulását okozza.

Az Univerzum történetének első 10 milliárd évét a sötét anyag uralta, majd a sötét energia vette át a főszerepet, és kezdte felgyorsítani a Világegyetem tágulását. Cikksorozatunkban Jéki László fizikus gyűjtötte össze e "sötét dolgokkal" kapcsolatos legfontosabb információkat. Összeállításunk első részében a részecskegyorsítókkal végzett kísérleteket mutattuk be, most pedig a csillagászati megfigyeléseket ismerhetik meg ezen a területen.

Térkép a sötét anyag eloszlásáról

2007 januárjában mutatták be a sötét anyag eloszlásáról készített első, háromdimenziós térképet. Mint az első rész elején is olvashatták, a Világegyetemben a közönséges (világító) anyagnál legalább ötször-hatszor több sötét anyag közvetlenül nem észlelhető, jelenlétét csak gravitációs hatása alapján lehet kimutatni. Létezéséről az első közvetlen bizonyítékot 2006-ban a két galaxishalmaz összeolvadásából formálódott Lövedék-galaxishalmaz anyageloszlásának elemzése szolgáltatta.

Az újabb vizsgálatban a Hubble-űrteleszkóp felvételeit földi megfigyelésekkel egészítették ki. A vizsgált égterület nyolcszor nagyobb volt a telehold látszó területénél. Mintegy félmillió galaxis alakját mérték ki. A messzi galaxisokból érkező fényt az útja közelébe eső sötét anyag gravitációs hatása kissé eltéríti, és ebből az ún.a gravitációslencse-hatásból meghatározható a sötét anyag tömege.

Kiderült, hogy a sötét anyag laza hálózatot alkotó hosszú, szálas szerkezetek formájában helyezkedik el. A közönséges anyagból álló galaxishalmazok a sötét anyagszálak találkozási pontjainál csoportosulnak, vagyis ott, ahol a legsűrűbb a sötét anyag. A térkép a Világegyetem történetének második felét tárja fel: ebben az időszakban a láthatatlan tömeg az idő múlásával (a gravitáció hatására) egyre sűrűbb csomókba koncentrálódott, így az eredmény igazolta a szálas szerkezetek kialakulásának elméletét. A sötét anyag csomósodásának felderítése hozzájárulhat a tömegvonzás ellen ható sötét energia mibenlétének tisztázásához.

A sötét anyag szálas, csomós szerkezetű; a közönséges anyagból álló galaxishalmazok a sötét anyagszálak találkozási pontjainál csoportosulnak

Galaxis szinte csak sötét anyagból

Csaknem teljesen láthatatlan, vagyis sötét anyagból álló galaxisra is akadtak már. Az első megfigyelés évekkel ezelőtt történt, de csak mostanra zártak ki minden más lehetséges magyarázatot. A titokzatos VIRGOHI21 galaxis a Virgo-galaxishalmazban található, mintegy 50 millió fényévre tőlünk.

A hideg sötét anyagra vonatkozó számítások szerint több sötét anyagból álló halónak (a galaxisok korongja körüli gömb alakú térrész) kell léteznie, mint látható galaxisnak, vagyis lehetnek sötét halók csillagok nélkül - ezek a sötét galaxisok. Brit, francia, olasz és ausztrál csillagászok a hidrogén 21 cm-es rádiósugárzását mérve keresték a sötét galaxisokat. A VIRGOHI21 100 millió naptömegnyi, semleges hidrogénből álló hatalmas felhő. A galaxis rotációs sebességéből azonban kiderült, hogy tömege ezerszer nagyobb, mint a hidrogén tömege. Ekkora anyagtömeg csillagformában jól látható lenne, de semmiféle látható nyomot nem találtak. Sötét galaxisok valószínűleg akkor keletkeznek, ha az anyag sűrűsége túl kicsi ahhoz, hogy csillagok formálódhassanak.

A VIRGOHI21 közelítő helyzete

Sötét anyag a Tejútrendszer körül

A Tejútrendszert körülvevő sötét anyagról 2000-ben a MACHO kutatócsoport azt állította, hogy nagyjából 20%-át a MACHO objektumok teszik ki. A MACHO (massive compact halo object) megnevezés kisméretű, optikailag nem látható égitesteket takar; valószínűleg ősi, kiégett törpecsillagokról van szó, tömegük nagyjából fél naptömeg. A galaxis láthatatlan tömegének többi részét a gyengén kölcsönható nehéz részecskék (WIMP) adják (lásd az első részben). Az EROS-2 kutatócsoport szerint viszont a MACHO-k hányada maximum 7% lehet, de valószínűleg ennél sokkal kevesebb, tehát a haló sötét anyagát csaknem teljesen WIMP-ek adnák.

Mindkét kutatócsoport a mikrolencse-hatást mérte. Ennek lényege, hogy egy távoli csillag fénye megváltozik, napokra, hetekre vagy hosszabb időre kifényesedik a csillag előtt elhaladó MACHO objektum tömegvonzásának hatására. A MACHO program 6 év alatt közel 12 millió csillag fényét mérte ki a Nagy Magellán-felhőben és 17 MACHO égitestet észlelt. Az EROS-2 együttműködés keretében 60 millió csillagot figyeltek meg, és egyetlen MACHO objektumot azonosítottak. A kutatók csak a legfényesebb 7 millió csillagnál keresték a mikrolencse-hatást.

Titokzatos gammasugárzás

Ha a sötét anyagból álló galaktikus halóban két WIMP összeütközik, akkor az elméleti számítások szerint a két részecske szétsugárzódik, és nagyenergiájú gammafotonok vagy más, "normál" részecskék jelennek meg. Vannak olyan mérőrendszerek, amelyek ezeknek a szétsugárzásoknak a jeleit keresik.

Az Európai Űrügynökség 2002-ben felbocsátott INTEGRAL műholdja a korábbiaknál pontosabban mérte ki az elektron-pozitron részecske-antirészecske párok találkozását követően szétsugárzott 511 keV energiájú gammasugárzás keletkezési helyét. A műhold adataiból készített térkép szerint a pozitronok galaxisunk kidudorodó középső részében jelennek meg, nincs nyomuk viszont a galaxis lapos korongjában, amelyben mi is vagyunk. Középen vannak az öreg csillagok, a korongban pedig a fiatalabbak. A pozitronok megjelenésére kínálkozó egyik magyarázat szerint a galaxis magját a sötét anyag könnyű részecskéi veszik körül, ezek bomlásából származnának a pozitronok. A számítások szerint ez csak akkor képzelhető el, ha a sötét részecskék tömege 20 MeV alatti, nagyobb tömeg esetében más energiájú gammasugárzásnak is fel kellene lépnie. (A fizikusok által gyakran használt tömeg (energia) egységek így kapcsolódnak egymáshoz: 1 TeV = 1 ezer GeV = 1 millió MeV = 1 milliárd keV = 1 billió eV; egy proton tömege kb. 1 GeV.)

Galaxisunk középpontja felől rendkívül nagyenergiájú gammasugárzást észleltek. Lehet, hogy a Világegyetem ismeretlen, sötét anyaga a forrásuk? A pontos mérés lehetővé tette a forrás azonosítását, a kibocsátás a galaxis középpontjához köthető. Ha a gammasugárzás forrása a sötét anyag, akkor a kibocsátó részecskék tömegének meg kell haladnia a 12 TeV-et! A sötét anyag részecskéire a Tejútrendszer gammasugárzását vizsgálva tehát két friss becslés született: tömegük vagy jóval 20 MeV alatt, vagy jóval 12 TeV fölött lehet. A korábbi, részleteiben kidolgozottabb elméletek közbenső értékeket jósolnak.

Részecskék a szuperszimmetria elméletből

A CGRO-szonda (NASA)

A Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) űrszonda 10 éves adatgyűjtéssel feltérképezte az égbolt extragalaktikus, vagyis nem a mi galaxisunkból származó, 30 MeV-nél nagyobb energiájú gamma-sugárzását. A Würzburgi Egyetem kutatóinak a Physical Review Lettersben közölt számításai szerint a gammasugárzás forrása ún. neutralínók szétsugárzása hideg sötét anyagban. A neutralínók a neutrínók szuperszimmetrikus párjai az ún. szuperszimmetria elmélet keretében. Lehet, hogy a neutralínó a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske, lehet, hogy a WIMP-ek neutralínók. Tömegüket a proton tömegénél (1 GeV) jóval nagyobbnak gondolták, a neutralínó tömegére 515 GeV-et kaptak, 30%-os bizonytalansággal. Ezen a példán jól érzékelhető, hogy mennyire különbözőek lehetnek egymástól a szuperszimmetrikus párok: a neutrínók és feltételezett szuperszimmetikus párjuk, a neutralínók tömege között százmilliárdszoros a különbség.

A neutralínókkal kapcsolatban érdekes ötletet vetettek fel csillagászok: egy fekete lyuk körül keringő fehér törpecsillag megfigyelése közelebb vihet a sötét anyag mibenlétének felderítéséhez. A kérdés tisztázásához mindössze a fehér törpék fényességének változását kellene figyelemmel kísérni. A gondolat egy sor feltételezésre épül, ezért a siker egyáltalán nem biztos. Igor Moskalenko és Larry Wai (Stanford Egyetem, Kalifornia) tavaly közölt gondolatmenete szerint a neutralínók a galaxisok középpontjában koncentrálódnak az ott levő szuper-nagytömegű fekete lyuk tömegvonzásának köszönhetően. A fekete lyuk körül néhány fényév távolságban keringő csillagok magukhoz ragadják ezeket a WIMP részecskéket és "elégetik". A csillagok magjában a WIMP részecskék más részecskékkel ütközve szétsugárzódnak, eredményül gammasugárzás és más részecskék jelennek meg. Ez a folyamat tehát egy újabb energiaforrás a csillag normál energiatermelése mellett. A fehér törpecsillagokban már leállt a magfúziós energiatermelés, az elnyelt sötét anyag lehet az új fűtőanyaguk. A sötét anyagot "elégetve" ezek a csillagok felfényesedhetnek, korábbi állapotukhoz képest sokkal, a Napnál akár több százszor is fényesebbek lehetnek. Olyan fehér törpéket kell nyomon követni, amelyek erősen elnyúlt elliptikus pályán keringenek a fekete lyuk körül. Az elgondolás szerint ezek a fekete lyuktól távol, ahol kevés a neutralínó, normálisan, a megszokott módon világítanak, de a fekete lyukhoz közeledve a sötét anyag elnyelése után drámaian felfénylenek.

A sötét anyag igen sűrű a Galaxis középponti tartományában

2004 szeptembere óta a teljes HESS mérőrendszer üzemszerűen működik Namíbiában. A HESS (High Energy Stereoscopic System - nagyenergiás sztereoszkópikus rendszer) a nagyenergiájú (>100 GeV) kozmikus gammasugárzás minden eddiginél érzékenyebb, jobb felbontású mérésére szolgál. (A név egyúttal a kozmikus sugárzás felfedezőjére, Victor Hessre is emlékeztet.) A mérőrendszer öt évig épült, Németország, Franciaország, az Egyesült Királyság, Csehország, Örményország, Dél-Afrika és Namíbia 19 kutatóintézete vesz részt a programban. A világűrből érkező nagyenergiájú gammasugárzást a légkör elnyeli, majd elektronok és protonok zápora alakul ki. A részecskék a közegbeli fénysebességnél gyorsabban mozognak, ezért ún. Cserenkov-sugárzás jelenik meg, ezt észleli a HESS. A négy, egyenként 107 m² felületű teleszkóp négy különböző nézőpontból mutatja meg ugyanazt a részecskezáport, így a bejövő gammasugárzás iránya 0,1 fok, beérkezési helye 10-20 m pontossággal határozható meg. A mérési adatokból 15% pontossággal lehet visszakövetkeztetni az elsődleges gammasugárzás energiájára. A mérőrendszer azért épült a déli féltekén, hogy optimális látószögből vizsgálhassák galaxisunk középponti tartományát. Az itt levő szupernóva-maradványok, pulzárok, a szuper-nagytömegű fekete lyuk bizonyára szerepet játszik a kozmikus részecskék felgyorsításában. A méréssorozat egyik fő célja a galaxisbeli gammaforrások felderítése.

A HESS projekt teleszkópjai (MPG)

Már az első méréssorozatokból egyértelművé vált, hogy kiemelkedően erős gammasugárforrrás található ugyanott, ahol a szuper-nagytömegű fekete lyuk van. A korábbinál egy nagyságrenddel pontosabban sikerült a forrás helyét kimérni. Régóta gyanítják, hogy a galaxis centrumából nagyon nagy energiájú gammasugárzás lép ki. A sötét anyag részecskéinek, pl. a könnyebb szuperszimmetrikus részecskéknek a szétsugárzását gondolják forrásnak. Ha valóban a sötét anyag szétsugárzása, a részecskék annihilációja megy végbe, akkor ezek a részecskék nagyon nehezek (>10 TeV), és a sötét anyag igen sűrű a galaxis középponti tartományában. További mérésekkel mód nyílik a forrás helyének még pontosabb meghatározására.

2007-ben kezdett adatokat gyűjteni a VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) az USA-ban Arizona államban a Mount Hopkins hegyen. Jövőre pályára állítják a NASA GLAST teleszkópját (Gamma-ray Large Area Space Telescope). Mindkét rendszer gamma-sugárforrásokat keres a Világegyetemben.

A Veritas Teleszkóp (Purdue University)

A WIMP részecskék szétsugárzása során nemcsak gammasugárzás, hanem más részecskék is megjelenhetnek, pl. a fent már említett elektron-pozitron párok. Az orosz-olasz PAMELA műhold ilyen folyamatokban keletkezett antiprotonokat és más antirészecskéket keres. Az Antarktiszon az IceCube (jégkocka) mérőrendszerben 4200 fényérzékelőt süllyesztettek a jégbe, hogy észleljék a Napból származó neutrínók által keltett fényjeleket. Ha nagyon nagy, 100 GeV energiájú neutront észlelnének, az már nem származhat a Napban zajló ismert magreakciókból, a sötét anyag számlájára írnák.

Gyártsunk sötét anyagot

A feltételezett részecskéknek eddig sem földalatti laboratóriumokban, sem az égbolt fürkészése közben nem bukkantak nyomására. A természet folyamatait figyelve ki vagyunk szolgáltatva a véletlen játékának. Ezért könnyebb bármilyen jelenséget úgy tanulmányozni, hogy magunk idézzük elő az általunk választott helyen és időben. A részecskefizikai laboratóriumok gyorsítóberendezései is ilyen célt szolgálnak. A CERN-ben jövőre üzembe álló LHC gyorsítóban a protonok hétszer nagyobb energiával ütköznek össze, mint az eddig legnagyobb energiájú gyorsítóberendezésben. Ha a szuperszimmetria elméletnek megfelelően léteznek az ismert részecskék szuperpartnerei, akkor nagy számban jelenhetnek meg az LHC detektoraiban. Optimista kutatók szerint 1-2 év alatt tisztázhatják a sötét anyag részecskéinek tulajdonságait. A nemleges eredmény is hasznosul. Ha nem találnak szuperpartnereket, akkor pontosítják az elméletet, az előrejelzéseket. Még el sem indult a több évtizedes működésre tervezett LHC, a fizikusok máris nekiláttak egy még nagyobb energiájú részecskegyorsító, a 40 km hosszú International Linear Collider tervezésének.

Nincs sötét anyag?

Miközben rengetegen dolgoznak világszerte a sötét anyag részecskéinek megtalálásán, a sötét anyag létezését kétségbe vonó elméleteket is kidolgoztak.

Négy elméleti fizikus új modellt ad: nem számolnak sötét anyaggal, energiával, sem más új összetevővel a Világegyetemben, a magyarázatot a Világegyetem inflációjában vélik megtalálni. A modern kozmológiában elfogadott modell szerint a Világegyetem történetének még nagyon kezdeti szakaszában hihetetlenül gyorsan tágult, ez volt az inflációs időszak. Az új elméletben feltételezik, hogy nagyon nagy hullámhosszú, a megfigyelhető Univerzumnál nagyobb hullámhosszú kozmológiai perturbációk mennek végbe. A megfigyelő tapasztalata a perturbációk időbeli változásától függ, így egyes esetekben gyorsuló tágulást észlelhetünk. A hosszú hullámhosszú perturbációk az inflációból erednek. A látható Világegyetem csak egy kicsiny része az infláció előtti Univerzumnak. Vagyis a gyorsulva táguló Világegyetem benyomása azért keletkezik, mert nem vagyunk képesek az egész képet áttekinteni.

Egy másik, merész elmélet szerint azért nincs szükség sötét anyag létezésének feltételezésére, mert a téridőt egy éternek nevezett erőtér hatja át és módosítja, ezzel pedig felerősíti a testek gravitációs hatását. Az elmélet szerint nem kell új, ismeretlen részecskéket keresni, a galaxisok mozgása a ma ismert, látható tömegekkel is leírható, ha ezeknek a testeknek a tömegvonzása nagyobb, mint az a relativitáselméletből következne. Kell tehát léteznie egy olyan hatásnak, ami felerősíti a gravitációt. Glenn Starkman szerint ez lenne az általa éternek nevezett, a téridőt átjáró új erőtér.

Mások korábban a gravitációs törvény megváltoztatását vetették fel. Az eredeti, Newton-féle törvény szerint két test között a tömegvonzás a távolság négyzetével arányosan csökken. A MOND (módosított newtoni dinamika) vagy MOG (módosított gravitáció) elmélete szerint az eddigi törvény csak egy gyorsulási küszöbérték felett lenne érvényes, ez alatt lassabban változik a tér. A tér lassabb változása a korábbinál erősebb tömegvonzást jelent, tehát ebben a modellben is felerősödik a gravitáció, szükségtelenné válik egzotikus részecskék keresése.

A sötét anyag titkainak feltárásában az lenne a legkedvezőbb, ha elő tudnánk állítani a laboratóriumban és megtalálnánk Galaxisunkban is, majd bebizonyosodna, hogy ugyanarról az anyagról van szó. Senki nem tudja, mennyit kell erre várnunk.

Jéki László

Cikksorozatunk harmadik (és egyben befejező) részében a titokzatos sötét energiáról olvashatnak.