A galaxisok egy részében sokkal kevesebb látható anyag van, mint várnánk. Egy kutatócsoport most a spirálgalaxisok peremén kereste a hiányzó anyagot.

Az M83 spirálgalaxis a Hubble felvételén. Vajon a „hiányzó” anyagot megtalálhatnánk a spirálgalaxisok kiterjedt halójában? (Forrás: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA))

A Világegyetemben található anyagnak csupán 15%-a látható, vagyis olyan anyag, amellyel kölcsönhatásba léphetünk, míg a maradék 85%-ot a sötét anyag teszi ki. Bár a kettő közül mindenképp a sötét anyag a titokzatosabb, a látható anyag sem mentes a rejtélyektől: ha összeadjuk a csillagvárosok látható összetevőinek tömegét, így a csillagokét és gázfelhőkét is, úgy tűnik, hogy a legtöbb galaxisban a vártnál kevesebb a látható anyag. Látszólag a Tejútrendszerhez hasonló galaxisok tömegének 70%-a, míg a kis tömegű galaxisoknak legfeljebb néhány százaléka hiányzik.

A Messier 51 vagy Örvény-köd egyike a kutatók által vizsgált galaxisoknak. A tanulmányozott galaxisok halói valószínűleg több százezer fényév távolságra terjednek ki: sokkal nagyobbak, mint a galaxisok csillagkorongjai. A Messier 51 korongja 76 ezer fényév átmérőjű. (Forrás: NASA, ESA, S. Beckwith (STScl), Hubble Heritage Team (STScl/AURA))

Hol rejtőzhet ez a hiányzó anyag? Az egyik lehetőség, hogy a galaxisok tömegének nagy része a kiterjedt halókban található gáz alakban, amelyek több ezer fényévre nyúlnak ki a fényes, csillagokkal teli régiókból, amelyek a galaxisok testét alkotják. Ezt a gázt azért nehéz érzékelni, mert alacsony a sűrűsége és interferál saját galaxisunk gázanyagával. Hogy mérhetnénk meg akkor a halóban lévő gáz tömegét?

Joel Bregman (University of Michigan) kutatócsoportja a Szunyajev–Zeldovics-hatás nyomait kereste, hogy megtalálja a galaktikus halókban a hiányzó anyagot. Ez az a folyamat, amelynek során a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás kis energiájú fotonjai a rendkívül forró gázzal való kölcsönhatás következtében magasabb energiákra tolódnak (az ún. inverz Compton-effektusnak köszönhetően). A hatás nagysága arányos a gáz tömegével és hőmérsékletével, így vizsgálhatjuk általa a forró, diffúz halókat, amelyeket másképp lehetetlen lenne észrevenni.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hőmérséklet-eloszlási térképe a WMAP-ban. Ez a térkép a 200 mikrokelvinig terjedő hőmérsékletváltozásokat mutatja. (Forrás: NASA)

A kutatók ezzel a módszerrel 12 spirálgalaxis halóját vizsgálták meg, amelyek 10–33 millió fényévre vannak tőlünk – elég közel ahhoz, hogy meghatározhassuk a forró gázhalo térbeli kiterjedését. A halók többsége túl halvány volt ahhoz, hogy detektálhassák, ezért a kutatók 12 galaxisból 11-nek az adatait együtt vizsgálták, hogy meghatározzák a mintában szereplő galaxisok átlagos tulajdonságait. (Egy galaxis szignifikáns különbségeket mutatott, így azt külön kezelték.)

Bregman és munkatársai azt találták, hogy 815 ezer fényéves (250 kiloparszekes) sugárig mindegyik galaxis 98 milliárd naptömegnyi gázt tartalmaz. A galaxisoknak 310 milliárd naptömegnyi látható anyagot kell tartalmazniuk, így a gáz a galaxisok teljes tömegének mintegy 30%-át teszi ki. A galaxisok csillagai, csillagképző gázanyaga és hűvösebb gázhalója kitesz további 30%-ot, ami azt jelenti, hogy a látható anyag fennmaradó 40%-a ezekben a galaxisokban valószínűleg még nagyobb távolságban helyezkedik el.

Az integrált Szunyajev–Zeldovics jel a 11 galaxisban a sugár (balra), illetve a jel/zaj arány függvényében (jobbra). (Forrás: Bregman et al. 2022)

A galaxisok központjától még távolabb terjedő gáz vizsgálatához az kell, hogy még több galaxisról sikerüljön megfigyeléseket végeznünk, és ezáltal a kutatók kifejleszthessenek olyan új algoritmusokat, amelyek csökkentik a bizonytalanságokat. Az olyan, korábban javasolt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás detektorok, mint a PICO szonda segíthetnek a hiányzó anyag felkutatásában, így talán megtudhatjuk, hol rejtegetik tömegük nagy részét a mai galaxisok.

A kutatást ismertető szakcikk a The Astrophysical Journal című lapban jelent meg.

Forrás: AAS Nova