Geheimnisvolle dunkle Materie ist durch Teleskope jeglicher Reichweite nicht sichtbar. Es manifestiert sich nur als Gravitationseffekt auf gewöhnliche Materie. Diese traurige Wahrheit scheint überdacht werden zu müssen. Zur Freude der Wissenschaftler.
In einem entfernten Galaxienhaufen absorbiert und emittiert etwas Röntgenstrahlen einer bestimmten Energie. Und dieses Etwas kann keine gewöhnliche Substanz sein. Diese Schlussfolgerung wird in einer Studie gezogen, die von einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Joseph P. Conlon von der University of Oxford veröffentlicht wurde. Die Arbeit ist auf der Preprint-Site von arXiv.org verfügbar.
Laut der Pressemitteilung der Forschung begann diese Detektivgeschichte im Jahr 2014. Dann entdeckte ein wissenschaftliches Team unter der Leitung von Ezra Bulbul (Esra Bulbul) vom Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik in Cambridge ein seltsames Phänomen. Die Röntgenemission des als Perseus-Cluster bekannten Galaxienhaufens zeigte eine spektrale Emissionslinie mit einer Energie von 3,5 keV. Das Ergebnis wurde mit den Instrumenten der XMM-Newton- und Chandra-Teleskope erzielt. Die gleiche Linie wurde in der Strahlung von 73 anderen Galaxienhaufen gefunden, die mit dem XMM-Newton-Teleskop aufgezeichnet wurden.
Nur eine Woche nach der Veröffentlichung dieses Ergebnisses berichtete eine andere Gruppe unter der Leitung von Alexey Boyarsky von der Universität Leiden in den Niederlanden, dass sie dieselbe Emissionslinie der Galaxie M31 und der Außenbezirke des Perseus-Clusters auf demselben XMM-Newton-Instrument beobachtet habe.
Kein bekannter astrophysikalischer Prozess führt zur Bildung einer solchen Linie. Daher haben Astronomen vorgeschlagen, sich mit der Strahlung mysteriöser dunkler Materie zu befassen.
Viele Astronomen haben versucht, diese Beobachtungen zu wiederholen, aber die mysteriöse Linie wurde gefunden und dann nicht. Dies führte Skeptiker zu Spekulationen darüber, dass die Wissenschaftler einen Fehler in der Bedienung des Instruments oder in der Datenverarbeitung hatten.
Im Jahr 2016 konnte das neue japanische Teleskop Hitomi, das speziell für die Beobachtung von Röntgenspektrallinien entwickelt wurde, die 3,5-keV-Linie in der Strahlung des Perseus-Clusters nicht erfassen. Es schien, dass das Problem endlich geschlossen wurde. Aber das war nur eine weitere Wendung.
Conlons Team bemerkte, dass Hitomis Bilder viel weniger scharf waren als die von Chandra. Daher mischte das Bild des Perseus-Clusters Signale aus zwei Quellen: der Strahlung von heißem Gas, das sich um eine massive Galaxie im Zentrum des Clusters befindet, und Licht, das aus der Nähe eines supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum dieser Galaxie selbst austritt.
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Klarere Bilder von Chandra ermöglichen es, den Beitrag dieser Quellen zu erkennen. Aus diesem Grund konnten die Autoren den Beitrag des Schwarzen Lochs und die Strahlung des heißen Gases separat analysieren.
Nachdem sie die frühen Beobachtungen von "Chandra" aus dem Jahr 2009 in ihren Händen hatten, entdeckten sie eine erstaunliche Sache: Eine Spektrallinie von 3,5 keV wurde beobachtet, aber in den vom Gas emittierten "Röntgenstrahlen" war es eine Strahlungslinie und in der Strahlung eines Schwarzen Lochs - einer Linie Absorption! Wie sich herausstellte, mischte das Hitomi-Teleskop den Beitrag aus zwei Quellen, wodurch sich die Linien gegenseitig kompensierten und daher nicht beobachtet wurden. Die Forscher überprüften dies durch entsprechende Berechnungen.
Aber wie kommt es, dass Astronomen, wenn sie "direkt in die Augen" eines Schwarzen Lochs schauen, die Absorption von Quanten mit einer Energie von 3,5 keV erfassen und ein Gas beobachten, das weit genug davon entfernt ist, um Strahlung in Form dieser Quanten einzufangen?
Dieses Phänomen ist Fachleuten, die mit optischen Teleskopen arbeiten, seit langem bekannt. Stellen Sie sich einen Stern vor, der von einer Gaswolke vor uns abgeschirmt ist. Gas absorbiert Quanten einer bestimmten Energie und strahlt sie sofort wieder ab. Diese Strahlung tritt jedoch in alle Richtungen auf: zurück zum Stern, senkrecht zur Linie "Sternbeobachter" (die Sichtlinie, wie Experten sagen) und so weiter. Wenn wir also direkt auf den Stern schauen, finden wir eine Absorptionslinie, da einige der vom Stern mit dieser Energie emittierten Quanten uns nicht erreichen.
Jetzt wenden wir uns stolz vom Stern ab und richten unseren Blick auf den Teil der Wolke, der "zur Seite" ist. Diese Gasatome absorbieren auch die Strahlung des Sterns und emittieren sie ebenfalls wieder. Aber diesmal sehen wir das Licht des Sterns selbst nicht, er breitet sich in einem großen Winkel zur Sichtlinie aus. Aber wir sehen den Teil des absorbierten Lichts, den das Gas in unsere Richtung emittiert (schließlich emittiert es gleichmäßig Licht in alle Richtungen). Wenn wir also diese "Seiten" -Regionen des Gases betrachten, sehen wir eine Strahlungslinie!
Alles, so scheint es, ist wunderbar. Und die Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs emittiert tatsächlich Quanten mit einer Energie von 3,5 keV sowie Quanten vieler anderer Energien aus einem weiten Bereich. Um das gerade beschriebene Bild zu reproduzieren, müssen wir jedoch annehmen, dass sich in der heißen Gaswolke um die Galaxie etwas befindet, das Quanten dieser Energie absorbiert und sie dann erneut ausstrahlt. Und wie oben erwähnt, kann gewöhnliche Substanz dies einfach nicht!
Also ist es immer noch dunkle Materie? Conlon und seine Kollegen glauben es. Sie entwickelten sogar ein eigenes Modell dieser mysteriösen Substanz, das dieses Verhalten reproduziert. Die Autoren diskontieren die Variante des Fehlers jedoch noch nicht. Nachfolgende Studien sollten das Problem endgültig klären.
