Kitartóan keresik a sötét anyagot a fizikusok. Mértékadó becslések szerint a világegyetem anyagának mintegy 22%-a sötét anyag. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelhető sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelőre a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetően. Ugyancsak ismeretlen jellege miatt kapta a sötét jelzőt az az energia, amely a gravitáció ellen hatva a világegyetem egyre gyorsuló tágulását okozza, ennek arányát 73%-ra teszik az össztömegben, így mindössze 5% marad a világegyetem látható, ismert összetevőire, a csillagokra. A sorozat 1. részében bemutattuk a sötét anyag lehetséges alkotórészeit és a megismerésükre indított fizikai kísérletek egy részét. A 2. részben folytattuk a feltételezett WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, gyengén kölcsönható, tömeggel rendelkező) elemi részecskék kimutatására törekvő többi kísérlet ismertetését. A földi mérések után megkezdtük az égi jelek keresésének ismertetését, ezt folytatjuk most.
*
Ha a sötét anyagból álló galaktikus halóban két WIMP összeütközik, akkor az elméleti számítások szerint a két részecske szétsugárzódik, nagyenergiájú gamma-fotonok vagy más, normál részecskék jelennek meg. A mérőrendszerek ezeknek a szétsugárzásoknak a jeleit keresik.
Az Európai Űrügynökség 2002-ben felbocsátott INTEGRAL műholdja a korábbiaknál pontosabban mérte ki az elektron-pozitron részecske-antirészecske párok találkozását követően szétsugárzott 511 keV energiájú gamma-sugárzás keletkezési helyét. A műhold adataiból készített térkép szerint a pozitronok galaxisunk kidudorodó középső 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 könnyű részecskéi veszik körül, ezek bomlásából származnának a pozitronok. A számítások szerint ez csak akkor képzelhető el, ha a sötét részecskék tömege 20 MeV alatti, nagyobb tömeg esetében más energiájú gamma-sugárzásnak 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 felől rendkívül nagy energiájú gamma-sugárzást észleltek. Lehet, hogy a világegyetem ismeretlen, sötét anyaga a forrásuk? A pontos mérés lehetővé tette a forrás azonosítását, a kibocsátás a galaxis középpontjához köthető. Ha a gamma-sugárzás forrása a sötét anyag, akkor a kibocsátó részecskék tömegének meg kell haladnia a 12 TeV-et!
A sötét anyag részecskéire a Tejút gamma-sugárzását vizsgálva tehát két friss becslés született: tömegük vagy jóval 20 MeV alatt vagy jóval 12 TeV fölött lehet. A korábbi, részleteiben kidolgozottabb elméletek közbenső értékeket jósolnak.
A Compton Gamma Ray Observatory űrszonda 10 éves adatgyűjtéssel 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 gamma-sugárzás forrása neutralínók szétsugárzása hideg sötét anyagban. A neutralínók a neutrínók szuperszimmetrikus párjai a 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 érzékelhető, hogy mennyire különbözőek lehetnek egymástól a szuperszimmetrikus párok: a neutrínók és feltételezett szuperszimmetrikus párjuk, a neutralínók tömege között százmilliárdszoros a különbség.
A neutralínókkal kapcsolatban érdekes ötletet vetettek fel csillagászok: egy fekete lyuk körül keringő fehér törpe csillag 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) gondolatmenete szerint a neutralínók a galaxisok középpontjában koncentrálódnak az ott levő szupernehéz fekete lyuk tömegvonzásának köszönhetően. A fekete lyuk körül néhány fényév távolságban keringő csillagok magukhoz ragadják ezeket a WIMP részecskéket és „elégetik”. A csillagok magjában a WIMP részecskék más részecskékkel ütközve szétsugárzódnak, eredményül gamma-sugárzás és más részecskék jelennek meg. Ez a folyamat tehát egy újabb energiaforrás a csillag normál energiatermelése mellett. A fehér törpe csillagokban már leállt a magfúziós energiatermelés, az elnyelt sötét anyag lehet az új fűtőanyaguk. A sötét anyagot „elégetve” ezek a csillagok felfényesedhetnek, korábbi állapotukhoz képest sokkal, a Napnál akár több százszor is fényesebbek lesznek. Olyan fehér törpéket kell nyomon követni, amelyek erősen elnyúlt elliptikus pályán keringenek a fekete lyuk körül. 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.
2004 szeptembere óta a teljes HESS mérőrendszer üzemszerűen működik Namíbiában. A HESS (High Energy Stereoscopic System – nagyenergiás sztereoszkópikus rendszer) a nagyenergiájú (=100 gigaelektronvolt) kozmikus gamma-sugárzás minden eddiginél érzékenyebb, jobb felbontású mérésére szolgál. (A név egyúttal a kozmikus sugárzás felfedezőjére, Victor Hessre is emlékeztet.) A mérőrendszer öt évig épült, Németország, Franciaország, az Egyesült Királyság, Csehország, Örményország, Dél-Afrika és Namíbia 19 kutatóintézete vesz részt a programban. A világűrből érkező nagyenergiájú gamma-sugárzást a légkör elnyeli, elektronok és protonok zápora alakul ki. A részecskék a közegbeli fénysebességnél gyorsabban mozognak, ezért Cserenkov-sugárzás jelenik meg, ezt észleli a HESS. A négy, egyenként 107 m² felületű teleszkóp négy különböző nézőpontból mutatja meg ugyanazt a részecskezáport, így a bejövő gamma-sugárzás iránya 0,1 fok, beérkezési helye 10–20 m pontossággal határozható meg. A mérési adatokból 15% pontossággal lehet visszakövetkeztetni az elsődleges gamma-sugárzás energiájára. A mérőrendszer azért épült a déli féltekén, hogy optimális látószögből vizsgálhassák galaxisunk középponti tartományát. Az ittlevő szupernóva maradványok, pulzárok, a szupernehéz fekete lyuk bizonyára szerepet játszik a kozmikus részecskék felgyorsításában. A méréssorozat egyik fő célja a galaxisbeli gamma-források felderítése.
Már az első méréssorozatokból egyértelművé vált, hogy kiemelkedően erős gamma-sugárforrás található ugyanott, ahol a szupernehéz fekete lyuk van. A korábbinál egy nagyságrenddel pontosabban sikerült a forrás helyét kimérni. Régóta gyanítják, hogy a galaxis centrumából nagyon nagy energiájú gamma-sugárzás 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 teraelektronvolt) és a sötét anyag igen sűrű a galaxis középponti tartományában. További mérésekkel mód nyílik a forrás helyének még pontosabb meghatározására.
2007-ben kezdett adatokat gyűjteni a VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) az USA-ban Arizona államban a Mount Hopkins hegyen. Jövőre 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 gamma-sugárzás, hanem más részecskék is megjelenhetnek, pl. a már említett elektron-pozitron párok. Az orosz-olasz PAMELA műhold ilyen folyamatokban keletkezett antiprotonokat és más antirészecskéket keres. Az Antarktiszon az IceCube (jégkocka) mérőrendszerben 4200 fényérzékelőt 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.
Hozzászólások