A hiányzó anyagról

Egy 23 millió fényév hosszú gázfonal és 39 rádiókitörés megfigyelése közelebb visz a Világegyetem nagyléptékű szerkezetének megértéséhez.

Ma már közismert tény, hogy a Világegyetem legnagyobb részét nem látjuk. Nem is csak a rejtélyes sötét anyagról és sötét energiáról van szó, hanem még a „közönséges”, azaz barionokból felépülő anyag jelentős része sem látható. Újabban két kutatócsoport két különböző módszerrel megtalálta az utóbbi anyagnak azt a részét, amely a kozmikus hálónak (cosmic web) nevezett struktúrát alkotja. A háló vázát a sötét anyag képezi, e mentén sűrűsödik össze a közönséges anyag, galaxisokat és galaxishalmazokat alkotva. A szálak között hatalmas ürességek tátongnak.

A kozmikus háló szimulációja: a szálak behálózzák az egész Világegyetemet. A csillagok, galaxisok és galaxishalmazok a háló csomópontjaiban jönnek létre, ahol a legsűrűbb az anyag. Ezeket a csomópontokat kötik össze a sok millió fényév hosszúságú szálak. (Kép: ESA / Illustris Simulation)

Az egyik ilyen kozmikus szál 23 millió fényév hosszú és a Kentaur (Centaurus) csillagképben két pár galaxishalmazt köt össze, amely négy halmaz mindegyike a Shapley-szuperhalmazhoz tartozik. A csillagászok a galaxishalmazokat 2001 és 2020 között több röntgenűrtávcsővel vizsgálták, de a kozmikus szál jelenlétéről eddig nem volt tudomásuk. Legújabban ezeket az archív észleléseket átvizsgálva rábukkantak arra a halvány röntgenfénylésre, amelynek forrása a kozmikus szál. A megfigyelés azért nehéz, mert a kozmikus szálat alkotó anyag nagyon ritka és forró, magas hőmérséklete miatt a röntgentartományban sugároz, a sugárzás azonban a megdöbbentően ritka (a kozmológiai szimulációk előrejelzéseinél sokszor ritkább) anyag miatt gyenge. A kutatók eredményeiket az Astronomy & Astrophysics folyóiratban publikálták. Eszerint a gáz hőmérséklete 10 millió fok körül lehet, ami nagyjából megfelel a Nap magjában a magfúzió beindulásához szükséges hőmérsékletnek. A fúzió a magas hőmérséklet ellenére azért nem indul be a kozmikus szálban, mert az anyag rendkívül ritka, mindössze 10^-5 részecske köbcentiméterenként (10 részecske/m³).

Az archív röntgentávcsöves megfigyeléseket egyesítve Konstantinos Migkas (Leideni Egyetem, Hollandia) és munkatársai olyan képet állítottak elő, amelyet akkor kapnánk, ha több napon keresztül egyfolytában figyelnénk az égbolt egyazon területét. Így fedezték fel a galaxishalmazokat összekötő kozmikus szálat. (Kép: Migkas et al. 2025)

A számtalan kozmikus szál nagy többsége láthatatlan, ám néhányat közülük egy különleges módszerrel mégis sikerült láthatóvá tenni. Ehhez a vélhetően az úgynevezett magnetárokkal kapcsolatba hozható gyors rádiókitörések (FRB-k, fast radio bursts) megfigyelése volt a kutatók segítségére. A kozmológiai kutatás szempontjából az FRB-k pontos eredete érdektelen, csak a rádiótartományban észlelhető felvillanás diszperziója fontos: az anyaggal való kölcsönhatás következtében a rádióhullámok kissé lelassulnak, méghozzá a különböző frekvenciájú hullámok eltérő módon: az alacsonyabb frekvenciájúak később érik el a megfigyelőt, mint a nagyobb frekvenciájúak. A diszperzió mértékéből következtetni lehet a kitörés forrása és a megfigyelő között a látóirányban elhelyezkedő anyag tulajdonságaira. Ezután az FRB-k távolságát figyelembe véve a Világegyetem evolúcióját leíró számítógépes szimulációval feltérképezhető a kozmikus anyag eloszlása.

A legegyszerűbb esetben a diszperzió távolságfüggése a közönséges (barionos) anyag mennyiségét jelezte, ami megfelelt az előrejelzéseknek. Mélyebb szinten a diszperzió nagyságának szórásából, vagyis abból, hogy az FRB-k valamely csoportjára közel azonos vagy nagyon különböző a szórás, következtetni lehet az anyag eloszlására. Ha a közönséges anyag nagy része galaxisokba és galaxishalmazokba zárva van jelen, akkor a Világegyetem anyagának eloszlása csomós, és közel azonos távolságban a diszperzió jelentős szórás mutat. A ténylegesen megfigyelhető Világegyetemben azonban nem ez a helyzet. Megvizsgálva 39 FRB távolsága és diszperziója közötti összefüggést amerikai kutatók feltérképezték, milyen lehetett az anyag eloszlása, amikor a Világegyetem fele annyi idős volt, mint most. A Nature Astronomy folyóiratban megjelent cikkükben megállapították, hogy a közönséges anyag kevesebb mint 15%-a tömörült csillagokba, illetve volt jelen olyan hidegebb gáz formájában, amelyből később csillagok keletkezhettek. A barionos anyag többi része nem a galaxisokban, hanem a galaxisok között volt található.

A sötét anyag és a sötét energia a Világegyetem anyagának 25%-át, illetve 70%-át teszi ki, a látható „közönséges” anyag részesedése mindössze 5%. Ennek a csekély résznek is csupán 7%-át teszik ki a csillagok, illetve 1,8%-át a csillagok közötti hideg gáz. A galaktikus halókat alkotó diffúz gáz részesedése 5%, a galaxishalmazokat kitöltő még forróbb gázé pedig 4%. Kiderült, hogy a közönséges anyag legnagyobb része a kozmikus szálakban rejtőzik. (Kép: ESA)

Az nem meglepő, hogy az anyag egy része a kozmikus szálakban található, azonban az a felismerés, hogy a szálak a barionos anyag háromnegyed részét tartalmazzák, arra enged következtetni, hogy valamilyen mechanizmusnak nagy tempóban ki kell löknie az anyagot a galaxisokból. Arra vonatkozóan, hogy mi lehet ez a mechanizmus, csak találgatásokba bocsátkoztak.

Kapcsolódó cikkek:
Elindult az Euclid
Anizotróp tágulás
CubeSattal a hiányzó anyag nyomában
Az ősrobbanás nyoma, nagy felbontással

Kapcsolódó linkek:
Hol van a hiányzó anyag? (Sky & Telescope)