Sötét anyag nyomában 2-rész.

Égi nyomok keresése

A sötét anyag szálas, csomós szerkezetu; a közönséges anyagból álló galaxishalmazok a sötét anyagszálak találkozási pontjainál csoportosulnak
Kitartóan keresik a sötét anyagot a fizikusok. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelheto sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelore a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetoen, pedig már számos detektort építettek a kimutatására. Összeállításunk elso 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 anyagfelhoi, vagyis a "látványos" megjelenésu, muszereinkkel érzékelheto égitestek a Világegyetem teljes anyagának csak kis részét képezik. Ugyancsak ismeretlen jellege miatt kapta a sötét jelzot az az energia, amely a gravitáció ellen hatva a Világegyetem egyre gyorsuló tágulását okozza.Az Univerzum történetének elso 10 milliárd évét a sötét anyag uralta, majd a sötét energia vette át a foszerepet, és kezdte felgyorsítani a Világegyetem tágulását. Cikksorozatunkban Jéki László fizikus gyujtötte össze e "sötét dolgokkal" kapcsolatos legfontosabb információkat. Összeállításunk elso 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 elso, háromdimenziós térképet. Mint az elso rész elején is olvashatták, a Világegyetemben a közönséges (világító) anyagnál legalább ötször-hatszor több sötét anyag közvetlenül nem észlelheto, jelenlétét csak gravitációs hatása alapján lehet kimutatni. Létezésérol az elso közvetlen bizonyítékot 2006-ban a két galaxishalmaz összeolvadásából formálódott Lövedék-galaxishalmaz anyageloszlásának elemzése szolgáltatta.

Az újabb vizsgálatban a Hubble-urteleszkóp felvételeit földi megfigyelésekkel egészítették ki. A vizsgált égterület nyolcszor nagyobb volt a telehold látszó területénél. Mintegy félmillió galaxis alakját mérték ki. A messzi galaxisokból érkezo fényt az útja közelébe eso sötét anyag gravitációs hatása kissé eltéríti, és ebbol 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 legsurubb a sötét anyag. A térkép a Világegyetem történetének második felét tárja fel: ebben az idoszakban a láthatatlan tömeg az ido múlásával (a gravitáció hatására) egyre surubb 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.

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 hidrogénbol álló hatalmas felho. A galaxis rotációs sebességébol azonban kiderült, hogy tömege ezerszer nagyobb, mint a hidrogén tömege. Ekkora anyagtömeg csillagformában jól látható lenne, de semmiféle látható nyomot nem találtak. Sötét galaxisok valószínuleg akkor keletkeznek, ha az anyag surusége túl kicsi ahhoz, hogy csillagok formálódhassanak.Sötét anyag a Tejútrendszer körül

A Tejútrendszert körülvevo 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 kisméretu, optikailag nem látható égitesteket takar; valószínuleg osi, kiégett törpecsillagokról van szó, tömegük nagyjából fél naptömeg. A galaxis láthatatlan tömegének többi részét a gyengén kölcsönható nehéz részecskék (WIMP) adják (lásd az elso részben). Az EROS-2 kutatócsoport szerint viszont a MACHO-k hányada maximum 7% lehet, de valószínuleg 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 idore kifényesedik a csillag elott elhaladó MACHO objektum tömegvonzásának hatására. A MACHO program 6 év alatt közel 12 millió csillag fényét mérte ki a Nagy Magellán-felhoben és 17 MACHO égitestet észlelt. Az EROS-2 együttmuködés 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 mérorendszerek, amelyek ezeknek a szétsugárzásoknak a jeleit keresik.Az Európai Urügynökség 2002-ben felbocsátott INTEGRAL muholdja a korábbiaknál pontosabban mérte ki az elektron-pozitron részecske-antirészecske párok találkozását követoen szétsugárzott 511 keV energiájú gammasugárzás keletkezési helyét. A muhold adataiból készített térkép szerint a pozitronok galaxisunk kidudorodó középso 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 könnyu részecskéi veszik körül, ezek bomlásából származnának a pozitronok. A számítások szerint ez csak akkor képzelheto 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 felol rendkívül nagyenergiájú gammasugárzást észleltek. Lehet, hogy a Világegyetem ismeretlen, sötét anyaga a forrásuk? A pontos mérés lehetové tette a forrás azonosítását, a kibocsátás a galaxis középpontjához kötheto. 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 közbenso értékeket jósolnak.
Részecskék a szuperszimmetria elméletbol
A Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) urszonda 10 éves adatgyujtéssel 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 érzékelheto, hogy mennyire különbözoek 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 keringo 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 levo szuper-nagytömegu fekete lyuk tömegvonzásának köszönhetoen. A fekete lyuk körül néhány fényév távolságban keringo 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 futoanyaguk. 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 erosen 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 suru a Galaxis középponti tartományában
2004 szeptembere óta a teljes HESS mérorendszer üzemszeruen muködik 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 felfedezojére, Victor Hessre is emlékeztet.) A mérorendszer öt évig épült, Németország, Franciaország, az Egyesült Királyság, Csehország, Örményország, Dél-Afrika és Namíbia 19 kutatóintézete vesz részt a programban. A világurbol érkezo 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 felületu teleszkóp négy különbözo nézopontból mutatja meg ugyanazt a részecskezáport, így a bejövo gammasugárzás iránya 0,1 fok, beérkezési helye 10-20 m pontossággal határozható meg. A mérési adatokból 15% pontossággal lehet visszakövetkeztetni az elsodleges gammasugárzás energiájára. A mérorendszer azért épült a déli féltekén, hogy optimális látószögbol vizsgálhassák galaxisunk középponti tartományát. Az itt levo szupernóva-maradványok, pulzárok, a szuper-nagytömegu fekete lyuk bizonyára szerepet játszik a kozmikus részecskék felgyorsításában. A méréssorozat egyik fo célja a galaxisbeli gammaforrások felderítése.

Már az elso méréssorozatokból egyértelmuvé vált, hogy kiemelkedoen eros gammasugárforrrás található ugyanott, ahol a szuper-nagytömegu 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 suru a galaxis középponti tartományában. További mérésekkel mód nyílik a forrás helyének még pontosabb meghatározására.

2007-ben kezdett adatokat gyujteni a VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) az USA-ban Arizona államban a Mount Hopkins hegyen. Jövore pályára állítják a NASA GLAST teleszkópját (Gamma-ray Large Area Space Telescope). Mindkét rendszer gamma-sugárforrásokat keres a Világegyetemben.
A WIMP részecskék szétsugárzása során nemcsak gammasugárzás, hanem más részecskék is megjelenhetnek, pl. a fent már említett elektron-pozitron párok. Az orosz-olasz PAMELA muhold ilyen folyamatokban keletkezett antiprotonokat és más antirészecskéket keres. Az Antarktiszon az IceCube (jégkocka) mérorendszerben 4200 fényérzékelot 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 elo az általunk választott helyen és idoben. A részecskefizikai laboratóriumok gyorsítóberendezései is ilyen célt szolgálnak. A CERN-ben jövore üzembe álló LHC gyorsítóban a protonok hétszer nagyobb energiával ütköznek össze, mint az eddig legnagyobb energiájú gyorsítóberendezésben. Ha a szuperszimmetria elméletnek megfeleloen 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 elorejelzéseket. Még el sem indult a több évtizedes muködésre 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 összetevovel 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 idoszak. Az új elméletben feltételezik, hogy nagyon nagy hullámhosszú, a megfigyelheto Univerzumnál nagyobb hullámhosszú kozmológiai perturbációk mennek végbe. A megfigyelo tapasztalata a perturbációk idobeli változásától függ, így egyes esetekben gyorsuló tágulást észlelhetünk. A hosszú hullámhosszú perturbációk az inflációból erednek. A látható Világegyetem csak egy kicsiny része az infláció elotti 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 téridot egy éternek nevezett erotér hatja át és módosítja, ezzel pedig felerosíti 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 relativitáselméletbol következne. Kell tehát léteznie egy olyan hatásnak, ami felerosíti a gravitációt. Glenn Starkman szerint ez lenne az általa éternek nevezett, a téridot átjáró új erotér. 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 erosebb tömegvonzást jelent, tehát ebben a modellben is felerosödik a gravitáció, szükségtelenné válik egzotikus részecskék keresése.

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