Végső bizonyíték a sötét anyag létezésére?

A világon közel 20 fizikus csoport igyekszik a rejtélyes sötét anyag részecskék, az úgynevezett WIMP-ek jelenlétét igazolni. Az amerikai University of Utah fizikusainak most elképzelhető, hogy sikerül.

Az egyetem kutatói 1998-ban azt állították, hogy egy Olaszországban épített detektor segítségével sikerült a Tejútrendszer körüli sötét anyag részecskék létezését igazolniuk. Most azt remélik, hogy sikerül egyértelműen bizonyítaniuk a szomszédos Sagittarius törpe galaxis felől érkező sötét anyag áramlatot is, ez ugyanis áthalad Naprendszerünkön is. A Tejútrendszernél jelentősen kisebb Sagittarius erős kölcsönhatásba került galaxisunkkal – és ebből vesztesen került ki, galaxisunk fokozatosan bekebelezi.

Az univerzum sötét oldala – mi is az a sötét anyag?

A csillagászok már több évtizede rájöttek, hogy a Tejútrendszert valamiféle sejtelmes sötét anyag fogja körül, amely távcsővel sem látható, mivel nem világít és nem is veri vissza a közönséges fényt. Mi több, még a rádióhullámok, a röntgensugarak és a többi elektromágneses sugárzás tartományában is láthatatlan; csupán a Világegyetem más égi képződményeire gyakorolt gravitációs hatása révén szerezhetünk róla tudomást.

Az első számítások szerint a Tejútrendszerhez hasonló galaxisok tömegének legalább 90 százaléka láthatatlan. Ez pedig azt jelenti, hogy a legnagyobb távcsövekkel látható összes csillag, por- és gázköd a Világegyetemnek alig 10 százalékát teszi ki!

Az elmúlt években született újabb teóriák szerint csupán a Világegyetem 5 százaléka látható, 25 százaléka sötét anyag, 70 százaléka pedig sötét energia. A sötét energiát a kutatók gyorsulva táguló Univerzum mozgásáért tartják felelősnek..

Hogy mi lehet a sötét anyag? Többféle elmélet is szültetett róla az elmúlt években: elképzelhető, hogy kis méretű, közönséges anyagú sötét égitestek (pl. barna törpék), amelyek túl aprók és távoliak ahhoz, hogy valaha is meglássuk őket.

Az is lehetséges, hogy a galaxisok spirálkarjai között a tér fekete lyukakkal – kihunyt nagy tömegű csillagok maradványaival – van tele. Egy harmadik elmélet szerint neutrínók, egy negyedik szerint valamilyen különleges részecskék alkotják a sötét anyagot. A sötét anyag továbbra is a csillagászat egyik nagy rejtélye, létezését azonban nem lehet kétségbe vonni – hisz újra és újra kimutatják gravitációs hatását.

Hogyan igazolható a sötét anyag?

A tudósok kétféle módon igyekszenek felkutatni a sötét anyagot. Egyik módszerük, hogy megkísérlik felfogni a kérdéses részecskéket, miközben a Föld „keresztülhalad” rajtuk. Azt feltételezik ugyanis, ha a Tejútrendszer valóban láthatatlan, sötét anyaggal van teli, akkor a Galaxis középpontja körül keringve a Nap is áthalad ezen az anyagon, és földi megfigyelőkkel is érzékelni kell a „sötétanyag-áramlást”, csakúgy, mint ahogy a száguldó autó utasai is érzékelik a menetszelet.

A kutatás másik módszere, hogy kisméretű, de nagy tömegű testeket keresnek a Tejútrendszert gömbszerűen körülfogó övezetben, a halóban. Megfigyelhető ugyanis, hogy időnként egy-egy ilyen test takarja el valamelyik közeli galaxis egyik csillagát. Ha ez megtörténik, az általános relativitáselmélet szerint a csillag fénye elhajlik ekörül a test körül. Földi megfigyelő számára úgy tűnik, hogy a csillag kifényesedik, majd néhány nap vagy hét alatt elhalványul. A gravitációslencse-hatás tehát bármilyen testet kimutat, akár látható, akár nem.

Az áramló sötét anyag részecskéinek egyik fajtáját – a gyenge kölcsönhatású, nagy tömegű részecskéket – WIMP-nek, a halóban gravitációslencse-hatást keltő, nagy tömegű, sűrű égitesteket pedig MACHÓ-knak nevezik. A WIMP-ek létezésére a kutatók úgynevezett DAMA – detektorokat (Dark Matter – sötét anyag) fejlesztettek ki.

(Egy kísérlet során például a kutatók az Olasz-Alpok alá vájt alagútban kilenc darab 10 kilogrammos konyhasókockát helyeztek el, hogy elszigeteljék őket bolygónk sugárzásától. Az elv az volt, hogy ha a Tejútrendszer tényleg sötét anyaggal van teli, akkor a galaxis középpontja körül keringő Nap is áthalad rajta, azaz a sötét anyag részecskék időnként utat találhatnak maguknak az alagútba is. A konyhasó egy-egy atomjával kölcsönhatásba lépve apró fényfelvillanásokat keltenek – ezeket pedig már kimutathatják az érzékeny detektorok.)

Tejútrendszerünk kanibalizmusa bizonyítékot szolgáltathat

A Tejútrendszer mintegy 100 ezer fényév átmérőjű. Egyik szomszédja, a Sagittarius törpe galaxis átmérője egy tizede a Tejútrendszerének. Fölényét kihasználva galaxisunk fokozatosan „felfalja” szomszédját, eddig már több ezer csillagot szakított el tőle.

A csillagászok a közelmúltban felfedezték, hogy a Sagittarius felől a csillagok két körívszerű formában áramlanak. Mivel a galaxisok jelentős része sötét-anyag, a feltételezések szerint az áramlatok tartalmaznak WIMP-et is. Naprendszerünk egyik ilyen áramlatban található, tehát a feketanyag-folyam végigfolyik bolygónkon is.

Így a csillagászoknak csak fel kell fogni a WIMP-részecskéket, mérni kell mennyiségüket, a részecskék sebességét, és el kell választani a Tejútrendszer halója felől érkező WIMP-ektől. Ez utóbbi elméletileg nem okoz nehézséget, mert a kétféle WIMP más szögből érkezik bolygónkra. Az előrejelzések szerint a Sagittarius felől érkező WIMP-részecskék földi felfogására különösen kedvező lesz május vége.

A csillagászok szerint a Tejútrendszer halója felől érkező WIMP-ek átlagosan másodpercenként 220 kilométeres sebességgel mozognak, de csúcssebességük elérheti a 600 km/s-t is.

A Sagittarius felől érkező áramlatban viszont a WIMP-ek másodpercenként 300 km-es sebességgel száguldanak, azaz a kétféle WIMP a mérési eredményeket megjelenítő grafikákon markánsan elválik majd. Ha valóban így lesz, a DAMA-tudósoknak sikerül végső bizonyítékot szolgáltatniuk a WIMP-ek létezésére.