Mungkinkah isyarat sinar-X pelik yang berasal dari gugus galaksi Perseus menjadi petunjuk tentang perkara gelap yang sukar difahami di Alam Semesta kita?
Menggunakan data arkib dari Chandra X-ray Observatory dan misi XMM-Newton, para astronom menemui garis pelepasan sinar-X yang tidak dikenali, atau lonjakan intensiti pada panjang gelombang sinar-X yang sangat spesifik. Lonjakan ini juga dijumpai di 73 kelompok galaksi lain dalam data XMM-Newton.
Para saintis mencadangkan bahawa satu kemungkinan yang menarik adalah bahawa sinar-X dihasilkan oleh peluruhan neutrino steril, sejenis neutrino hipotesis yang telah diusulkan sebagai calon bahan gelap dan diramalkan akan berinteraksi dengan bahan normal hanya melalui graviti.
"Kami tahu bahawa penjelasan masalah gelap adalah jangka panjang, tetapi hasilnya akan sangat besar jika kami benar," kata Esra Bulbul dari Pusat Astrofizik Harvard-Smithsonian (CfA) di Cambridge, Massachusetts, yang memimpin belajar. "Oleh itu, kita akan terus menguji tafsiran ini dan melihat ke mana ia membawa kita."
Ahli astronomi menganggarkan bahawa kira-kira 85 peratus daripada semua jirim di Alam Semesta adalah benda gelap, tidak dapat dilihat oleh teleskop yang paling kuat, tetapi dapat dikesan oleh tarikan graviti.
Kumpulan galaksi adalah tempat yang baik untuk mencari bahan gelap. Mereka mengandungi beratus-ratus galaksi serta sejumlah besar gas panas memenuhi ruang di antara mereka. Tetapi pengukuran pengaruh gravitasi kelompok galaksi menunjukkan bahawa galaksi dan gas hanya merangkumi seperlima dari jumlah jisim. Selebihnya dianggap perkara gelap.
Bulbul menjelaskan dalam sebuah posting di blog Chandra bahawa dia ingin mencuba bahan gelap dengan "menyusun" (melampirkan pemerhatian di antara satu sama lain) sejumlah besar pengamatan kelompok galaksi untuk meningkatkan kepekaan data yang berasal dari Chandra dan XMM- Newton.
"Kelebihan besar menyusun pemerhatian bukan hanya peningkatan nisbah isyarat-ke-kebisingan (iaitu jumlah isyarat yang berguna dibandingkan dengan bunyi latar), tetapi juga kesan pengurangan ciri pengesan dan latar belakang," tulis Bulbul. "Pelepasan latar sinar-X dan kebisingan instrumental adalah halangan utama dalam analisis objek samar, seperti kelompok galaksi."
Matlamat utamanya dalam menggunakan teknik susun adalah untuk memperbaiki had atas sebelumnya pada sifat zarah bahan gelap dan mungkin juga menemui garis pelepasan yang lemah dari logam yang sebelumnya tidak dapat dikesan.
"Garis pelepasan lemah dari logam ini berasal dari peralihan atom yang diketahui yang berlaku di atmosfer panas gugus galaksi," kata Bulbul. "Setelah menghabiskan satu tahun untuk mengurangi, memeriksa dengan hati-hati, dan menyusun pemerhatian sinar-X XMM-Newton dari 73 gugus galaksi, saya melihat garis pelepasan yang tidak dijangka pada sekitar 3,56 kiloelektron volt (keV), tenaga tertentu dalam julat sinar-X. "
Secara teori, neutrino steril merosot menjadi neutrino aktif dengan memancarkan foton sinar-X dalam rentang keV, yang dapat dikesan melalui spektroskopi sinar-X. Bulbul mengatakan bahawa keputusan pasukannya konsisten dengan jangkaan teoritis dan had atas yang ditetapkan oleh carian sinar-X sebelumnya.
Bulbul dan rakan-rakannya bekerja selama satu tahun untuk mengesahkan keberadaan garis dalam beberapa sampel yang berbeza, tetapi mereka mengatakan bahawa mereka masih banyak yang perlu dilakukan untuk mengesahkan bahawa mereka sebenarnya telah mengesan neutrino steril.
"Langkah kami seterusnya adalah menggabungkan data dari misi Suzaku Chandra dan JAXA untuk sejumlah besar galaksi galaksi untuk melihat apakah kami menemui isyarat sinar-X yang sama," kata pengarang bersama Adam Foster, juga dari CfA. "Ada banyak idea di luar sana mengenai apa yang dapat diwakili oleh data ini. Kami mungkin tidak tahu dengan pasti sehingga Astro-H dilancarkan, dengan jenis pengesan sinar-X baru yang akan dapat mengukur garis dengan lebih teliti daripada yang mungkin sekarang. "
Astro-H adalah satu lagi misi Jepun yang dijadualkan dilancarkan pada tahun 2015 dengan instrumen resolusi tinggi yang seharusnya dapat melihat perincian yang lebih baik dalam spektrum, dan Bulbul mengatakan mereka berharap dapat "membezakan garis astrofizik dengan jelas mengenai isyarat perkara gelap dan beritahu kami apa sebenarnya pancaran sinar-X baru ini. "
Oleh kerana garis pelepasan lemah, pengesanan ini mendorong kemampuan Chandra dan XMM Newton dari segi kepekaan. Juga, pasukan mengatakan mungkin ada penjelasan selain neutrino steril jika garis pelepasan sinar-X ini dianggap nyata. Terdapat cara-cara bahawa perkara biasa dalam kluster dapat menghasilkan garis, walaupun analisis pasukan menunjukkan bahawa semua ini akan melibatkan perubahan yang tidak mungkin terhadap pemahaman kita mengenai keadaan fizikal di gugus galaksi atau perincian fizik atom gas yang sangat panas.
Penulis juga memperhatikan bahawa walaupun tafsiran neutrino steril betul, pengesanan mereka tidak semestinya menunjukkan bahawa semua bahan gelap terdiri daripada zarah-zarah ini.
Siaran akhbar Chandra berkongsi pandangan di belakang tabir yang menarik tentang bagaimana sains dikongsi dan dibincangkan di kalangan saintis:
Kerana potensi hasil yang menggoda ini, setelah menyerahkan kepada The Astrophysical Journal penulis menulis salinan kertas ke pangkalan data yang dapat diakses oleh umum, arXiv. Forum ini membolehkan para saintis meneliti makalah sebelum penerimaannya menjadi jurnal yang dikaji oleh rakan sebaya. Makalah tersebut menimbulkan banyak aktiviti, dengan 55 makalah baru telah menyebut karya ini, yang kebanyakannya melibatkan teori-teori yang membincangkan garis pelepasan sebagai bukti yang mungkin untuk bahan gelap. Beberapa makalah meneroka tafsiran neutrino yang steril, tetapi yang lain mencadangkan pelbagai jenis zarah bahan gelap calon, seperti aksion, mungkin telah dikesan.
Hanya seminggu selepas Bulbul et al. meletakkan kertas mereka di arXiv, kumpulan yang berbeza, yang diketuai oleh Alexey Boyarsky dari Universiti Leiden di Belanda, meletakkan kertas di arXiv yang melaporkan bukti untuk garis pelepasan pada tenaga yang sama dalam pemerhatian XMM-Newton mengenai galaksi M31 dan pinggiran sekumpulan Perseus. Ini menguatkan bukti bahawa garis pelepasan itu nyata dan bukan artifak instrumental.
Bacaan lanjut:
Kertas oleh Bulbul et al.
Siaran akhbar Chandra
Siaran akhbar ESA
Blog Chandra
