Könnte ein seltsames Röntgensignal, das vom Perseus-Galaxienhaufen kommt, ein Hinweis auf die schwer fassbare dunkle Materie in unserem Universum sein?
Mithilfe von Archivdaten des Chandra-Röntgenobservatoriums und der XMM-Newton-Mission fanden Astronomen eine nicht identifizierte Röntgenemissionslinie oder einen Intensitätsanstieg bei einer sehr spezifischen Wellenlänge des Röntgenlichts. Diese Spitze wurde auch in 73 anderen Galaxienhaufen in XMM-Newton-Daten gefunden.
Die Wissenschaftler schlagen vor, dass eine faszinierende Möglichkeit darin besteht, dass die Röntgenstrahlen durch den Zerfall von sterilen Neutrinos erzeugt werden, einem hypothetischen Neutrino-Typ, der als Kandidat für dunkle Materie vorgeschlagen wurde und voraussichtlich nur über die Schwerkraft mit normaler Materie interagiert.
"Wir wissen, dass die Erklärung der Dunklen Materie ein langer Weg ist, aber die Auszahlung wäre enorm, wenn wir Recht haben", sagte Esra Bulbul vom Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik (CfA) in Cambridge, Massachusetts, die die Studie. "Also werden wir diese Interpretation weiter testen und sehen, wohin sie uns führt."
Astronomen schätzen, dass ungefähr 85 Prozent aller Materie im Universum dunkle Materie ist, die selbst für die stärksten Teleskope unsichtbar ist, aber durch ihre Anziehungskraft erkennbar ist.
Galaxienhaufen sind gute Orte, um nach dunkler Materie zu suchen. Sie enthalten Hunderte von Galaxien sowie eine große Menge heißes Gas, das den Raum zwischen ihnen ausfüllt. Messungen des Gravitationseinflusses von Galaxienhaufen zeigen jedoch, dass die Galaxien und das Gas nur etwa ein Fünftel der Gesamtmasse ausmachen. Der Rest wird als dunkle Materie angesehen.
Bulbul erklärte in einem Beitrag im Chandra-Blog, dass sie versuchen wollte, nach dunkler Materie zu suchen, indem sie eine große Anzahl von Beobachtungen von Galaxienhaufen „stapelte“ (Beobachtungen übereinander legte), um die Empfindlichkeit der Daten von Chandra und XMM- zu verbessern. Newton.
"Der große Vorteil des Stapelns von Beobachtungen ist nicht nur ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis (dh die Menge des Nutzsignals im Vergleich zum Hintergrundrauschen), sondern auch die verringerten Auswirkungen von Detektor- und Hintergrundmerkmalen", schrieb Bulbul. "Die Röntgenhintergrundemission und das instrumentelle Rauschen sind die Haupthindernisse bei der Analyse schwacher Objekte wie Galaxienhaufen."
Ihr primäres Ziel bei der Verwendung der Stapeltechnik war es, frühere Obergrenzen für die Eigenschaften von Partikeln der dunklen Materie zu verfeinern und möglicherweise sogar eine schwache Emissionslinie von zuvor nicht erkannten Metallen zu finden.
"Diese schwachen Emissionslinien von Metallen stammen aus den bekannten Atomübergängen, die in den heißen Atmosphären von Galaxienhaufen stattfinden", sagte Bulbul. „Nachdem ich ein Jahr damit verbracht hatte, die XMM-Newton-Röntgenbeobachtungen von 73 Galaxienhaufen zu reduzieren, sorgfältig zu untersuchen und zu stapeln, bemerkte ich eine unerwartete Emissionslinie bei etwa 3,56 Kiloelektronenvolt (keV), einer spezifischen Energie im Röntgenbereich. ”
Theoretisch zerfällt ein steriles Neutrino in ein aktives Neutrino, indem es ein Röntgenphoton im keV-Bereich emittiert, das durch Röntgenspektroskopie nachweisbar ist. Laut Bulbul stimmen die Ergebnisse ihres Teams mit den theoretischen Erwartungen und den Obergrenzen früherer Röntgenuntersuchungen überein.
Bulbul und ihre Kollegen haben ein Jahr lang daran gearbeitet, die Existenz der Linie in verschiedenen Teilproben zu bestätigen, aber sie sagen, dass sie noch viel zu tun haben, um zu bestätigen, dass sie tatsächlich sterile Neutrinos entdeckt haben.
"Unser nächster Schritt besteht darin, Daten aus Chandra und JAXAs Suzaku-Mission für eine große Anzahl von Galaxienhaufen zu kombinieren, um festzustellen, ob wir dasselbe Röntgensignal finden", sagte Co-Autor Adam Foster, ebenfalls von CfA. „Es gibt viele Ideen, was diese Daten darstellen könnten. Wir wissen es möglicherweise nicht genau, bis Astro-H mit einem neuartigen Röntgendetektor auf den Markt kommt, mit dem die Linie präziser als derzeit möglich gemessen werden kann. “
Astro-H ist eine weitere japanische Mission, deren Start für 2015 mit einem hochauflösenden Instrument geplant ist, mit dem die Spektren besser detailliert dargestellt werden sollen. Bulbul hofft, „eine astrophysikalische Linie eindeutig von einem Signal der Dunklen Materie unterscheiden zu können und sagen Sie uns, was diese neue Röntgenemission wirklich ist. “
Da die Emissionslinie schwach ist, erhöht diese Erkennung die Fähigkeiten von Chandra und XMM Newton in Bezug auf die Empfindlichkeit. Das Team sagt auch, dass es möglicherweise andere Erklärungen als sterile Neutrinos gibt, wenn diese Röntgenemissionslinie als real angesehen wird. Es gibt Möglichkeiten, wie normale Materie im Cluster die Linie hätte erzeugen können, obwohl die Analyse des Teams darauf hinwies, dass all dies unwahrscheinliche Änderungen unseres Verständnisses der physikalischen Bedingungen im Galaxienhaufen oder der Details der Atomphysik extrem heißer Gase mit sich bringen würde.
Die Autoren stellen auch fest, dass selbst wenn die sterile Neutrino-Interpretation korrekt ist, ihre Detektion nicht notwendigerweise impliziert, dass die gesamte dunkle Materie aus diesen Partikeln besteht.
In der Pressemitteilung von Chandra wurde ein interessanter Blick hinter die Kulissen geworfen, wie Wissenschaft unter Wissenschaftlern geteilt und diskutiert wird:
Aufgrund des verlockenden Potenzials dieser Ergebnisse haben die Autoren nach Einreichung beim Astrophysical Journal eine Kopie des Papiers in einer öffentlich zugänglichen Datenbank, arXiv, veröffentlicht. In diesem Forum können Wissenschaftler ein Papier prüfen, bevor es in ein von Experten begutachtetes Journal aufgenommen wird. Das Papier löste eine Flut von Aktivitäten aus, wobei 55 neue Papiere diese Arbeit bereits zitiert hatten, hauptsächlich mit Theorien, die die Emissionslinie als möglichen Beweis für dunkle Materie diskutierten. Einige der Arbeiten untersuchen die sterile Neutrino-Interpretation, andere legen nahe, dass verschiedene Arten von Kandidaten für Partikel der dunklen Materie, wie das Axion, nachgewiesen wurden.
Nur eine Woche nach Bulbul et al. platzierte ihr Papier auf dem arXiv, einer anderen Gruppe, angeführt von Alexey Boyarsky von der Universität Leiden in den Niederlanden, platzierte ein Papier auf dem arXiv und berichtete über Beweise für eine Emissionslinie bei gleicher Energie in XMM-Newton-Beobachtungen der Galaxie M31 und der Außenbezirke des Perseus-Clusters. Dies verstärkt den Beweis, dass die Emissionslinie real ist und kein instrumentelles Artefakt.
Weiterführende Literatur:
Aufsatz von Bulbul et al.
Chandra Pressemitteilung
ESA-Pressemitteilung
Chandra Blog
