Το σήμα ακτίνων Χ από το διάστημα οδηγεί στη σκοτεινή ύλη

Για χρόνια, η ακτινοβολία υψηλής ενέργειας από το διάστημα πειράζει τους επιστήμονες με αδιευκρίνιστες νύξεις σκοτεινής ύλης. Αλλά μπορεί να υπάρχει μια οριστική απάντηση. Μια ομάδα φυσικών λέει ότι ορισμένες γαλαξιακές ακτίνες Χ θα μπορούσαν να είναι σημάδι αποσύνθεσης της σκοτεινής ύλης και ότι μια επερχόμενη δορυφορική αποστολή θα πρέπει να αποδείξει ή να διαψεύσει τον ισχυρισμό τους.

Η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 80% της ύλης στο σύμπαν, αλλά κανείς δεν ξέρει ακριβώς τι είναι. Οι περισσότεροι θεωρητικοί υποπτεύονται ότι αποτελείται από τα λεγόμενα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (WIMPs)—άγνωστα υποατομικά σωματίδια που εκπέμπουν τόσο λίγο φως που δεν μπορούμε να τα δούμε, αν και εξακολουθούν να αλληλεπιδρούν με άλλη ύλη μέσω της βαρύτητας και της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Όμως τα εργαστηριακά πειράματα δεν τα έχουν εντοπίσει και τα πιο πιθανά στοιχεία από το διάστημα -ακτίνες γάμμα που τα υποτιθέμενα WIMP θα εκπέμψουν ενώ εξολοθρεύονταν το ένα το άλλο στα κέντρα των γαλαξιών- κατακλύζονται από καταρράκτες ακτίνων γάμμα από άλλες πηγές, όπως το θερμό αέριο.

Ο σωματιδιακός φυσικός Alexey Boyarsky του Πανεπιστημίου του Leiden στην Ολλανδία και οι συνεργάτες του έψαξαν σε ένα διαφορετικό λατομείο. Διερεύνησαν δεδομένα από το παρατηρητήριο ακτίνων Χ σε τροχιά XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, για σημάδια σωματιδίων που ζυγίζουν μερικές χιλιάδες ηλεκτρονιοβολτ – ένα εκατομμυριοστό της μάζας των WIMP. Θεωρητικά, σωματίδια όπως αυτό - εάν υπάρχουν - θα πρέπει να διασπώνται μέσα σε γαλαξιακά κέντρα και άλλα αντικείμενα στο διάστημα για να παράγουν ακτίνες Χ με μια ορισμένη ενέργεια. Η ομάδα ξεκίνησε την αναζήτησή της το 2005 και για χρόνια παρέμεινε με άδεια χέρια. Αλλά τελικά στάθηκαν τυχεροί:Πέρυσι ανέφεραν ότι βρήκαν μια κορυφή στα 3,5 χιλιάδες ηλεκτρονιοβολτ (keV) στο ενεργειακό φάσμα των ακτίνων Χ τόσο από τον πλησιέστερο γείτονα του Γαλαξία, τον Γαλαξία της Ανδρομέδας, όσο και από το σμήνος γαλαξιών του Περσέα. Ταυτόχρονα, μια άλλη ομάδα - η φυσικός Esra Bulbul του Κέντρου Αστροφυσικής Harvard-Smithsonian στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης και συνεργάτες - ανέφεραν ότι βρήκαν μια γραμμή εκπομπής περίπου στα 3,5 keV στα συνδυασμένα φάσματα από 73 σμήνη γαλαξιών.

Τώρα, σε μια εργασία που έγινε δεκτή για δημοσίευση στο Physical Review Letters , η ομάδα του Boyarsky αναφέρει μια παρόμοια κορυφή στις ακτίνες Χ από τον πυρήνα του Γαλαξία. Η ένταση της κορυφής βρίσκεται στο σωστό εύρος που πρέπει να παράγεται από τις αντιδράσεις της σκοτεινής ύλης, λένε οι ερευνητές:υψηλότερη από ένα κατώτερο όριο που προκύπτει από τα δεδομένα του σμήνου γαλαξιών, αλλά χαμηλότερη από ένα ανώτατο όριο που υπολογίστηκε από μελέτες των λιγότερο πυκνών εξωτερικών περιοχών του Γαλαξία . «Δεν μπορούμε να αποδείξουμε ότι η σκοτεινή ύλη προέρχεται από το κέντρο του Γαλαξία μας επειδή δεν γνωρίζουμε αρκετά καλά τη φυσική γύρω από το γαλαξιακό κέντρο», λέει ο Boyarsky. "Αλλά το σήμα περνά από έναν πολύ μη τετριμμένο έλεγχο συνέπειας."

Άλλοι ερευνητές, ωστόσο, αμφισβητούν την προέλευση της σκοτεινής ύλης του σήματος. Οι φυσικοί Tesla Jeltema και Stefano Profumo στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, ανέλυσαν τις ακτίνες Χ που εκπέμπουν τα συνηθισμένα άτομα μέσα στον Γαλαξία μας, την Ανδρομέδα και τα σχετικά σμήνη γαλαξιών. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η γραμμή των 3,5 keV θα μπορούσε εύκολα να προέλθει από καυτό, λαμπερό κάλιο και άλλα στοιχεία που εκτοξεύτηκαν στο διάστημα από αστέρια.

Εν τω μεταξύ, ο φυσικός Ondrej Urban του Ινστιτούτου Kavli για την Αστροφυσική και Κοσμολογία Σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ στο Πάλο Άλτο της Καλιφόρνια και οι συνεργάτες του λένε ότι τα δεδομένα από τον δορυφόρο ακτίνων Χ της NASA/Ιαπωνικής διαστημικής υπηρεσίας (JAXA) Suzaku δεν δείχνουν πραγματικά στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη- όπως εκπομπή στα 3,5 keV στα φάσματα τεσσάρων σμηνών γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου του Περσέα.

Ο Boyarsky λέει ότι χρειάζονται περισσότερα δεδομένα για να διευθετηθεί το ερώτημα. Αυτός και οι συνάδελφοί του έχουν κλείσει χρόνο παρατήρησης στο XMM-Newton για να μελετήσουν το φάσμα ακτίνων Χ ενός νάνου γαλαξία που πιστεύεται ότι φιλοξενεί πολλή σκοτεινή ύλη αλλά λίγα χημικά στοιχεία. «Αν δούμε το σήμα εκεί, θα ήταν πολύ δύσκολο να το ερμηνεύσουμε με όρους κανονικής αστροφυσικής», λέει. «Αυτό θα αποτελούσε πολύ σταθερή απόδειξη της σκοτεινής ύλης». Λέει ότι ελπίζει να έχει αποτελέσματα στις αρχές του επόμενου έτους.

Η απόλυτη δοκιμή θα μπορούσε επίσης να ξεκινήσει το επόμενο έτος, όταν η JAXA έχει προγραμματιστεί να εκτοξεύσει έναν νέο δορυφόρο ακτίνων Χ που ονομάζεται ASTRO-H. Το ASTRO-H θα είναι σε θέση να σχεδιάσει το σχήμα της κορυφής των 3,5 keV με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια από ό,τι μπορούν οι σημερινοί δορυφόροι, λέει ο Jonathan Feng, θεωρητικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine. Μια σχετικά ευρεία γραμμή, εξηγεί, θα υπονοούσε ότι οι ακτίνες Χ οφείλονται στη σκοτεινή ύλη, ενώ μια στενότερη γραμμή θα έδειχνε κανονικά άτομα ως πηγή. "Το σήμα ακτίνων Χ 3,5 keV έχει πραγματική πιθανότητα να επιβεβαιωθεί οριστικά ως σκοτεινή ύλη σε λίγα χρόνια, σε αντίθεση με άλλα πιθανά σήματα που κυκλοφορούν αυτή τη στιγμή στην αγορά."

Εάν η σκοτεινή ύλη είναι η αιτία, οι φυσικοί θα πρέπει ακόμα να εντοπίσουν την ταυτότητά της. Ο Φενγκ λέει ότι η ενέργεια και η ένταση της γραμμής των 3,5 keV είναι "ακριβώς όπως θα περίμενε κανείς" από τα αποστειρωμένα νετρίνα:υποθετικά υπεράπιαστα ξαδέρφια των συνηθισμένων νετρίνων που θα εκπέμπουν ακτίνες Χ όταν διασπώνται σε κανονικά νετρίνα.

Ο κοσμολόγος Kevork Abazajian, επίσης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Irvine, συμφωνεί ότι τα στείρα νετρίνα είναι ο πιο πιθανός υποψήφιος, εν μέρει επειδή προκύπτουν σε φυσικές εξηγήσεις για την ύπαρξη μάζας νετρίνων. Αλλά και άλλα υποθετικά σωματίδια θα μπορούσαν επίσης να παράγουν το σήμα, προσθέτει. Οι επίγειες μετρήσεις της β-διάσπασης -η ίδια ραδιενεργή διαδικασία που έδωσε στους φυσικούς τους πρώτους υπαινιγμούς ότι υπάρχουν νετρίνα- θα μπορούσαν να διευθετήσουν εάν τα αποστειρωμένα νετρίνα σε κλίμακα keV αποτελούν επίσης μέρος της σειράς της φύσης, προτείνει ο Abazajian.