Egy nemrégiben megjelent tanulmányban, amelyben a kutatók a korai Univerzum egy nagy tömegű, ámde kis méretű galaxisát vizsgálták, az a megdöbbentő megállapítás született, hogy a sötét anyag kölcsönhathat saját magával.

A vizsgált galaxis, a James Webb-űrtávcsővel tavaly októberben felfedezett JWST-ER1g, az ősrobbanás után 3,4 milliárd évvel keletkezett, és olyan különleges helyzetben volt, hogy egy még távolabbi, korábban még sosem látott galaxis lencsézőjévé vált, ezzel elősegítve egy tökéletes Einstein-gyűrű, illetve a gyűrű és a galaxis párosát alkotó JWST-ER1 rendszer létrejöttét. Einstein-gyűrű akkor jön létre, amikor egy nagy tömegű objektum az általános relativitáselmélet értelmében meghajlítja egy mögötte lévő másik objektum fényét, és így az a másik objektum – jelen esetben egy galaxis – gyűrű formában szétkenődve jelenik meg az észlelők szeme előtt.

Az Einstein-gyűrű kialakulása. (Forrás: jb.man.ac.uk.)

Ez a jelenség amellett, hogy ez kozmikus csoda, amely a galaxisok szerencsés látszó helyzetéből fakad, kiváló lehetőséget ad arra, hogy a kutatók az eddigi modellektől teljesen független becslést adjanak a gyűrűn belül elhelyezkedő galaxis tömegére. A kutatócsoport tagjai kiszámították, hogy a JWST-ER1g galaxis mennyire hajlította meg maga körül a téridő szövetét, és ez alapján azt a becslést tették, hogy a galaxis tömege körülbelül 650 milliárd naptömeg, így kis méretét tekintve ez egy különösen kompakt galaxisnak minősül. Emellett a kutatók a galaxis teljes tömegéből a galaxisban található csillagok tömegét kivonva meghatározták a JWST-ER1g sötét anyag-tartalmát is. A galaxisok tömegének nagy részét ugyanis nem a fénylő csillagok alkotta, úgynevezett látható anyag teszi ki, hanem a láthatatlan, ámde gravitációs hatást kifejtő sötét anyag. A sötét anyag létezését azonban eddig közvetlen megfigyelésekkel nem sikerült igazolni.

A JWST-ER1 rendszert vizsgáló kutatócsoport a középpontban lévő galaxis tömegének meghatározásakor a következő érdekességet vette észre: a kiszámított teljes tömegből a csillagok, illetve a sötét anyag becsült tömegét levonva az elvárásokkal ellentétben nem 0-t kaptak eredményül, hanem a teljes tömegnek körülbelül a felét.

„De vajon hova tűnhetett a hiányzó tömeg? Esetleg a sötét anyag, vagy a csillagok tömege nagyobb, mint korábban gondoltuk volna? Esetleg egy más megközelítés szükséges a folyamatok megértéséhez? Ez igazán rejtélyes.” – mondta Hai-Bo Yu, a tanulmány társszerzője.

A kutatók szerint a JWST-ER1g galaxis különösen nagy sűrűségét az is okozhatja, hogy sokkal több csillag van benne, mint azt korábban hittük. Ez viszont azt eredményezi, hogy a galaxis sötét anyag halója is nagyobb tömegű. A legtöbb sötét anyag valószínűleg a galaxis közepén gyűlik össze, és mintegy gravitációs ragasztóként tartja össze a csillagvárost, megakadályozva annak szétesését. Ami igazán érdekes a mostani tanulmányban, az az, hogy a JWST-ER1-ről készített mérési adatokra az a modell illeszkedik a legjobban, amelyben a sötét anyag részecskéi kölcsönhatnak önmagukkal.

A JWST-ER1 különleges rendszere a James Webb-űrtávcső felvételén. (Forrás: (Image credit: P. van Dokkum et al., Nature Astronomy accepted, 2023.)

Azt, hogy pontosan mi a sötét anyag, jelenleg nem tudjuk pontosan. Bizonyos modellek szerint olyan részecskékből áll, amelyek nem bocsátanak ki fényt, így jelenlétükre csak a látható anyaggal történő kölcsönhatásaikból következtethetünk. Ez a rejtélyes anyagforma állhat egy adott típusú részecskéből, vagy akár többféléből is, amelyeket összetarthatnak akár a látható anyag esetében ismert kölcsönhatások, de eddig ismeretlen erők is.

Tavaly decemberben Yu és munkatársai létrehoztak egy olyan szimulációs modellt, amelyben a sötét anyag részecskéi önmagukkal hatnak kölcsön. Ezzel a modellel meglepően jól tudták magyarázni azt, hogy bizonyos galaxisok közepén miért olyan nagy a sötét anyag sűrűsége, más galaxisok esetén pedig miért olyan kicsi ez az érték. Az eddigi modellek mindmáig nem tudták megfelelően megmagyarázni ezeknek a szélsőséges sűrűségű galaxisoknak a tulajdonságait.

A csillagászok remélik, hogy a James Webb-űrtávcső infravörös kameráinak segítségével mélyebben megismerhetjük egyebek mellett a sötét anyag tulajdonságait, és olyan távoli galaxisokat vizsgálhatunk, amelyekig korábbi műszereink nem láttak el.

„A James Webb-űrtávcső sok meglepetést tartogat számunkra a sötét anyaggal kapcsolatban is.” – nyilatkozta az Astrophysical Journal Letters című szaklapban megjelent tanulmány vezető kutatója.

A cikk forrása: https://www.space.com/dark-matter-interactions-distant-einstein-ring-jwst