Een innovatieve interpretatie van röntgengegevens van een cluster van sterrenstelsels zou wetenschappers kunnen helpen bij het vervullen van een zoektocht waar ze al tientallen jaren mee bezig zijn:het bepalen van de aard van donkere materie.

De bevinding omvat een nieuwe verklaring voor een reeks resultaten die zijn gemaakt met NASA's Chandra X-ray Observatory, ESA's XMM-Newton en Hitomi, een door Japan geleide röntgentelescoop. Indien bevestigd met toekomstige waarnemingen, dit kan een grote stap voorwaarts betekenen in het begrijpen van de aard van het mysterieuze, onzichtbare substantie die ongeveer 85% van de materie in het universum uitmaakt.

"We verwachten dat dit resultaat ofwel enorm belangrijk zal zijn, ofwel een totale blindganger, " zei Joseph Conlon van de Universiteit van Oxford, die de nieuwe studie leidde. "Ik denk niet dat er een halverwege punt is als je op zoek bent naar antwoorden op een van de grootste vragen in de wetenschap."

Het verhaal van dit werk begon in 2014 toen een team van astronomen onder leiding van Esra Bulbul (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Mass.) vond een piek van intensiteit bij een zeer specifieke energie in Chandra- en XMM-Newton-waarnemingen van het hete gas in de Perseus-cluster van melkwegstelsels.

Deze piek, of emissielijn, heeft een energie van 3,5 kiloelektronvolt (keV). De intensiteit van de 3,5 keV-emissielijn is erg moeilijk, zo niet onmogelijk te verklaren in termen van eerder waargenomen of voorspelde kenmerken van astronomische objecten, en daarom werd een oorsprong van donkere materie gesuggereerd. Bulbul en collega's rapporteerden ook het bestaan ​​van de 3,5 keV-lijn in een studie van 73 andere clusters van sterrenstelsels met behulp van XMM-Newton.

De plot van dit verhaal over donkere materie werd dikker toen slechts een week nadat Bulbuls team hun paper had ingediend een andere groep, onder leiding van Alexey Boyarsky van de Universiteit Leiden in Nederland, rapporteerde bewijs voor een emissielijn van 3,5 keV in XMM-Newton-waarnemingen van de melkweg M31 en de buitenwijken van de Perseus-cluster, bevestiging van de Bulbul et al. resultaat.

Echter, deze twee resultaten waren controversieel, waarbij andere astronomen later de 3,5 keV-lijn detecteren bij het observeren van andere objecten, en sommigen slagen er niet in om het te detecteren.

Het debat leek in 2016 te zijn opgelost toen Hitomi speciaal ontworpen was om gedetailleerde kenmerken te observeren, zoals lijnemissie in de röntgenspectra van kosmische bronnen, kon de 3,5 keV-lijn in het Perseus-cluster niet detecteren.

"Je zou kunnen denken dat wanneer Hitomi de 3,5 keV-lijn niet zag, we de handdoek in de ring zouden hebben gegooid voor deze onderzoekslijn, " zei co-auteur Francesca Day, ook uit Oxford. "Integendeel, dit is waar, zoals in elk goed verhaal, een interessante plotwending opgetreden."

Conlon en collega's merkten op dat de Hitomi-telescoop veel vagere beelden had dan Chandra, dus de gegevens over de Perseus-cluster bestaan ​​in feite uit een mengsel van de röntgensignalen van twee bronnen:een diffuse component van heet gas die het grote sterrenstelsel in het centrum van de cluster omhult en röntgenstraling van nabij het superzware zwarte gat in deze melkweg. De scherpere visie van Chandra kan de bijdrage van de twee regio's scheiden. Hierop inspelend, Bulbul et al. isoleerde het röntgensignaal van het hete gas door puntbronnen uit hun analyse te verwijderen, inclusief röntgenstraling van materiaal nabij het superzware zwarte gat.

Om te testen of dit verschil ertoe doet, het Oxford-team heranalyseerde Chandra-gegevens van dichtbij het zwarte gat in het centrum van de Perseus-cluster, genomen in 2009. Ze vonden iets verrassends:bewijs voor een tekort in plaats van een overschot aan röntgenstralen bij 3,5 keV. Dit suggereert dat iets in Perseus röntgenstralen absorbeert met deze exacte energie. Toen de onderzoekers het Hitomi-spectrum simuleerden door deze absorptielijn toe te voegen aan de emissielijn van het hete gas, gezien met Chandra en XMM-Newton, ze vonden geen bewijs in het gesommeerde spectrum voor absorptie of emissie van röntgenstralen bij 3,5 keV, consistent met de Hitomi-waarnemingen.

De uitdaging is om dit gedrag te verklaren:absorptie van röntgenlicht detecteren bij het observeren van het zwarte gat en emissie van röntgenlicht met dezelfde energie wanneer we naar het hete gas kijken onder grotere hoeken weg van het zwarte gat.

In feite, dergelijk gedrag is goed bekend bij astronomen die sterren en gaswolken bestuderen met optische telescopen. Licht van een ster omgeven door een gaswolk vertoont vaak absorptielijnen die ontstaan ​​wanneer sterlicht van een bepaalde energie wordt geabsorbeerd door atomen in de gaswolk. De absorptie schopt de atomen van een lage naar een hoge energietoestand. Het atoom valt snel terug naar de lage energietoestand met de emissie van licht van een specifieke energie, maar het licht wordt in alle richtingen opnieuw uitgestraald, het produceren van een netto lichtverlies bij de specifieke energie - een absorptielijn - in het waargenomen spectrum van de ster. In tegenstelling tot, een waarneming van een wolk in een richting weg van de ster zou alleen de opnieuw uitgezonden, of fluorescerend licht met een bepaalde energie, die zou verschijnen als een emissielijn.

Het Oxford-team suggereert in hun rapport dat donkere materiedeeltjes als atomen kunnen zijn met twee energietoestanden gescheiden door 3,5 keV. Als, het zou mogelijk kunnen zijn om een ​​absorptielijn van 3,5 keV waar te nemen bij observatie onder hoeken dicht bij de richting van het zwarte gat, en een emissielijn wanneer we naar het hete gas van de cluster kijken onder grote hoeken weg van het zwarte gat.

"Dit is geen eenvoudig schilderij om te schilderen, maar het is mogelijk dat we een manier hebben gevonden om zowel de ongebruikelijke röntgensignalen afkomstig van Perseus te verklaren als een hint te vinden over wat donkere materie eigenlijk is, " zei co-auteur Nicholas Jennings, ook van Oxford.

Om het volgende hoofdstuk van dit verhaal te schrijven, astronomen zullen verdere waarnemingen van de Perseus-cluster en andere soortgelijke clusters nodig hebben. Bijvoorbeeld, er zijn meer gegevens nodig om de realiteit van de dip te bevestigen en een meer alledaagse mogelijkheid uit te sluiten, namelijk dat we een combinatie hebben van een onverwacht instrumenteel effect en een statistisch onwaarschijnlijke dip in röntgenstraling bij een energie van 3,5 keV. Chandra, XMM-Newton en toekomstige röntgenmissies zullen clusters blijven observeren om het mysterie van de donkere materie aan te pakken.

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, werd gepubliceerd in Fysieke beoordeling D op 19 dec. 2017 en een preprint is online beschikbaar.