Weird X-Rays Spornspekulation zur Erkennung dunkler Materie

Wissenschaftler müssen nun entscheiden, ob das anomale Signal wirklich exotisch ist oder eine eher profane Herkunft hat

Viele wichtige Entdeckungen in der Astronomie begannen mit einem unerklärlichen Signal: Pulsare, Quasare und der kosmische Mikrowellenhintergrund sind nur drei von vielen Beispielen. Als Astronomen kürzlich Röntgenstrahlen ohne erkennbaren Ursprung entdeckten, löste dies eine aufregende Hypothese aus. Vielleicht ist dies ein Zeichen für dunkle Materie. Die unsichtbare Substanz macht etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Wenn ja, deutet dies darauf hin, dass die Identität der Partikel sich von den vorhergesagten Modellen unterscheidet.

Die anomalen Röntgenstrahlen, die vom umkreisenden XMM-Newton-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESM) entdeckt werden, stammen aus zwei verschiedenen Quellen: der Andromeda-Galaxie und dem Perseus-Galaxienhaufen. Die Herausforderung besteht darin, zu bestimmen, was diese Röntgenstrahlen erzeugt haben, wie in einer im letzten Monat veröffentlichten Studie beschrieben Physische Übersichtsbriefe. (Siehe auch eine frühere Studie, die in veröffentlicht wurde Das astrophysikalische Journal.) Das Signal ist echt, aber schwach, und die Astronomen müssen jetzt entscheiden, ob es außergewöhnlich ist oder eine banale Erklärung hat. Wenn dies möglich ist, können sie mit der Arbeit beginnen, um herauszufinden, welche Art von dunkler Materie dafür verantwortlich sein könnte.

"Wenn die Röntgenstrahlungslinie eindeutig auf dunkle Materie zurückzuführen ist, sind die Auswirkungen natürlich tiefgreifend", schrieb der Astrophysiker Kevork Abazajian der University of California in Irvine in einem am 15. Dezember 2014 veröffentlichten Kommentar Physische Übersichtsbriefe.

Wenn diese Beobachtung bekannt vorkommt, liegt dies daran, dass Forscher, die das Fermi-Gamma-Ray-Weltraumteleskop der NASA verwendet, in der Nähe des Milchstraßenzentrums anomale Gammastrahlen entdeckt haben, von denen einige glauben, dass sie aus Partikeln der dunklen Materie bestehen könnten, die zusammenstoßen und vernichten. Der Unterschied zwischen den Fermi- und den XMM-Newton-Beobachtungen ist die Energie des beteiligten Lichts, die mit den Massen der hypothetischen Partikel der dunklen Materie verbunden ist, aus denen es entstand. Fermis Gammastrahlen sind mehr als eine Million Mal energetischer als die Röntgenstrahlen, so dass die Teilchen, die die erstere erzeugt haben, massiver sind als ein Proton.

Die Röntgenstrahlen müssten dagegen von Teilchen stammen, die wesentlich leichter als ein Elektron sind. (Für diejenigen, die zu Hause den Überblick behalten, haben die Röntgenstrahlen eine Energie von etwa 3,5 Kilo-Elektronenvolt, was weniger als einem Hundertstel der Elektronenmasse entspricht.) Wenn die XMM-Newton-Detektion ein Zeichen für dunkle Materie ist, Dies wäre jedoch nicht auf schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) zurückzuführen, die die beliebtesten Kandidaten der Forscher für das sind, was dunkle Materie ausmacht.

Andere potenzielle Teilchen der dunklen Materie könnten sterile Neutrinos sein - schwerere Verwandte, die in vielen Kernreaktionen produziert werden - oder exotischere Möglichkeiten wie Axionen, die ursprünglich zur Lösung eines in der Teilchenphysik nicht zusammenhängenden Problems vorgesehen waren. Beide Teilchen bleiben hypothetisch, aber wenn sie existieren, wären sie viel weniger massiv als Elektronen.

Wenn die Schuldigen sterile Neutrinos sind, würden sie Massen haben, die etwas größer sind als die Energie der Röntgenphotonen. Sie zerfallen in die bekannten Standard-Neutrinos, wobei der Rest ihrer Masse in Röntgenlicht umgewandelt wird - genau das Signal, das XMM-Newton sieht. Diese Idee wirft jedoch einige Probleme auf: Es gibt keine gleichwertigen Röntgenstrahlen in der Milchstraße, und andere Experimente, die nach sterilen Neutrinos jagen, sind leer aufgetaucht.

Axionen dagegen sind stabil, wandeln sich jedoch in Gegenwart starker Magnetfelder in Photonen um. Weil Galaxien und Galaxienhaufen einen so starken Magnetismus erzeugen, sind sie die Hauptakteure. Die Teilchen (technisch "achsähnliche Teilchen"), die erforderlich sind, um die anomalen Röntgenstrahlen herzustellen, hätten eine höhere Masse als das typische Axion, jedoch innerhalb der durch einige Theorien zulässigen Beschränkungen.

Die größte Sorge ist, dass andere mögliche Röntgenquellen nur schwer auszuschließen sind. Atome geben abhängig von der Konfiguration ihrer Elektronen Licht mit bestimmten Energien ab. Physiker haben jedoch nicht alle diese Energien identifiziert, insbesondere für Röntgenstrahlen. Mit anderen Worten ist es möglich, dass dieses nicht identifizierte Signal nur eine neue Emissionslinie von gewöhnlichen Atomen oder von heißem Plasma ist. Wie Der Teilchenphysiker Adam Falkowski von CNRS / Université Paris-Sud schriebOb Sie die Erklärung der dunklen Materie akzeptieren, hängt davon ab, wie Sie die Plasmaemission modellieren: "Der Teufel steckt im Detail ... (was ehrlich gesagt nicht beruhigend ist)."

Die Autoren der neuesten Studie glauben, dass die Plasmaoption keine wahrscheinliche Option ist, da die Milchstraße relativ wenig davon enthält. Ein weiteres Problem besteht darin, dass es scheinbar zu einem Missverhältnis zwischen den Orten kommt, an denen die Röntgenstrahlen emittiert werden, und Karten der Massenverteilung in Galaxienhaufen, die darauf schließen lassen, wo sich dunkle Materie versteckt.

Ein Röntgenobservatorium der japanischen Raumfahrtbehörde namens Astro-H, das in diesem Jahr auf den Markt kommen soll, wird Instrumente mit ausreichender Präzision transportieren, um den Unterschied zwischen Atomemissionen und Signaturen der dunklen Materie zu erkennen. Und mehr Daten sind immer besser. Andere Galaxien und Galaxienhaufen mit derselben Art von Röntgenstrahlung zu finden, würde die Möglichkeiten einschränken.

Letztendlich müssen Astronomen versuchen, einen großen Anspruch - die Erkennung dunkler Materie - mit einem relativ schwachen astronomischen Signal in Einklang zu bringen, was mehrere banale Erklärungen haben könnte. "Ich denke, dass Leute, die schwache Ergebnisse erzielen und damit fahren, Ärger bekommen", sagt der Teilchenphysiker Leslie Rosenberg der University of Washington über die Axion-Hypothese. Wo die Dinge stehen, ist die Strecke von einem anomalen Röntgensignal bis hin zu einer endgültigen Erkennung der Materie, die den Löwenanteil aller Massen im Universum ausmacht, ziemlich groß. Wie bei jedem Anspruch auf eine auffallende neue Entdeckung ist es am besten, die Wetten vorerst abzusichern.

Empfohlen