Bizonyára sokan hallottak már a sötét anyagról, amely a Világegyetem jelentős részét jelenti. A mibenlétéről már annál kevesebben hallhattak, főleg mert a mai napig nem ismerjük, hogy pontosan miről van szó. A gravitációja és így a tömege viszont közvetetten mérhető és most először az eloszlását is sikerült meghatározni. Igaz, csak egy távoli galaxishalmazban – azonban így is ez az első nagy felbontású sötét anyag térkép!
Az Abel 2744 galaxishalmaz a Hubble-űrtávcső felvételén. Forrás: NASA
Bizonyára mindenki találkozott már Einstein híres E = m * c^2 képletével is, amelyben az egyenlet bal oldalán az energia (E), míg a jobb oldalon a tömeg (m) szerepel (meg a fénysebesség c, de ez most nem is annyira fontos). Mindez gyakorlatilag azt jelenti, hogy az energia és a tömeg megfeleltethetőek egymásnak, magyarán egyik a másikba átszámítható. Ha ezen felbátorodva összegeznénk az Univerzumban jelen lévő összes anyagot és energiát, arra a meglepő (és ijesztő) eredményre jutunk, hogy az általunk ismert és látott ’’világító’’ anyag mindössze a Világegyetem 5 (írd és mondd, öt!) százalékát teszi ki. További 27 %-ért pedig a rejtélyes sötét anyag a felelős, amelynek tömege van, de nem látjuk. (Meg persze itt van még 68 %-nyi sötét energia is, de arról olyan kínosan keveset tudunk, hogy inkább nem hozom szóba a feltétlenül szükségesnél többször.)
Hogy mi is az a sötét anyag, arra számos ötlet(csoport) létezik. A korábbi elméletek a MACHO-kat (MAssive Galactic Halo Objects) favorizálták; olyan objektumokat, amelyek bár tisztes tömeggel rendelkeznek (barna törpék, pulzárok, kisebb tömegű fekete lyukak stb.), de egyáltalán nem vagy csak nagyon kis mértékben bocsájtanak ki fényt, így számunkra láthatatlanok. Ilyen MACHO-knak tömegesen kellene jelen lenniük még a mi Tejútrendszerünk bizonyos régióiban is, de közvetett módszerek arra utalnak, hogy ez nincs így; legfeljebb a sötét anyag kis részét (10 -15 %) teszik ki. A másik potenciális lehetőség a WIMP-ek (Weakly Interacting Massive Particles) létezése, az anyag egy olyan formája, amely csak gyengén hat kölcsön más részecskékkel. Ebben az esetben egy óriási részecsketenger létezne a galaxisok külső részein. Viszont ha köztük nincs kölcsönhatás, nincs is mit kimutatni, legfeljebb (a CERN LHC-gyorsítójához hasonló) részecskefizikai kísérletek vihetnek közelebb a megoldáshoz. És ez még csak a elmélet-jéghegy csúcsa; a MACHO és a WIMP is ún. hideg sötét anyagot ír le, amelynek részecskéi a fénysebességnél jóval lassabban haladnak.
A Tejútrendszer becsült tömegeloszlásából számolt és a tényleges rotációs görbe. A centrumtól nagy távolságokra egyre jelentősebb az eltérés.
A legegyszerűbb mód a sötét anyag jelenlétének kimutatására a galaxisok forgási görbéje. Attól függően, hogy egy spirálgalaxisban (mint pl. a Tejútrendszer) hogyan oszlik el a tömeg belülről kifelé, úgy változik a csillagok keringési sebessége abban a galaxisban. Ha megnézzük, mennyi látható anyag van a mi galaxisunkban, arra a következtetésre jutunk, hogy a rotációs sebessége kifelé gyorsan csökken. A megfigyelések ezzel szemben azt mutatják, hogy a Tejútrendszer külső régióiban közel ugyanannyi a keringési sebesség, mint beljebb. Ez csak úgy lehetséges, ha ezekben a külső régiókban lévő tömeget alul becsüljük, tehát arányaiban is nagy mennyiségű anyagnak kell lennie ott, amit nem látunk. (Merthogy sötét. Ügy lezárva.)
A gravitációs lencsézés sematikus ábrája. Forrás: Wikipedia
Más módja is van annak, hogy a sötét anyag nyomára bukkanjunk, pl. a gravitációs lencsézés. A nagy tömegű objektumok meggörbítik a teret, így a közelükben elhaladó fény útját is elhajlítják és egy irányba fókuszálják. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy egy nagy tömegű objektum képes lencseként működni és felerősíteni a mögötte lévő, (a nagy távolsága miatt) halványabb dolgokat. Egy ilyen gravitációs lencse lehetővé teszi, hogy olyan távoli, halvány galaxisokat is megpillanthassunk (legalábbis azok elnyújtott, lencsézett képét), amit az általunk épített teleszkópokkal soha sem tudnánk. Másrészt a lencsézés megfigyelésével a lencseként működő objektum tömegéről és annak eloszlásáról is információt nyerhetünk. Ezt használták ki a Yale egyetem kutatói, amikor három galaxishalmazt vizsgáltak a Hubble-űrteleszkóp felvételei alapján.
A kutatók által megfigyelt MACS J0416 galaxishalmaz. A fényes, görbe csíkok a háttérben lévő objektumok lencsézett képei. Forrás: NASA
A galaxishalmazok pont azok, aminek a nevük alapján képzeljük őket. Több tucat galaxis (akárcsak a Tejútrendszer, az Androméda-galaxis stb.) együttese, amelyek gravitációjuk miatt egymás ’’közelében’’ maradnak. Egy galaxishalmaz maga is működhet gravitációs lencseként, amellyel a vele egy irányban látszó, még távolabbi háttérgalaxisok fényét erősíti fel. A kutatók a megfigyelt lencsehatás alapján számolták vissza a lencséző galaxishalmazok tényleges tömegeloszlását és készítettek belőle két dimenziós térképet. Ebből már ”csak” le kell vonni a Hubble-lal látott világító galaxisok tömegét (az alábbi ábrán éles csúcsok formájában jelennek meg), a maradékért (a térkép egészét átfogó ”halom”) pedig a sötét anyag a felelős. Az eloszlás jó egyezést mutat a hideg sötét anyag modellezéséből származó eredményekkel.
A MACS J0416 galaxishalmaz lencséző struktúráinak térképe, amelyen egyaránt megjelenik a világító anyag (éles csúcsok) és a sötét anyag (lassan emelkedő széles domb). Forrás: Natarajan et al.
Persze ez még messze nem oldja meg azt a régóta fennálló kérdést, hogy mi is az a sötét anyag pontosan – de mégis, egy kicsit szűkíti a kört és közelebb visz minket az Univerzum egyik legnagyobb rejtélyének megoldásához.
A ”mosolygó galaxisok”: két távoli galaxist a gravitációs lencsehatás egy mosolygó fejjé képezett le. Forrás: NASA/ESO