Megdöbbentő felfedezés a világűr titokzatos anyagáról

Az ősrobbanás, az univerzum keletkezésének kezdő pillanata, az elméleti fizika legnagyobb, máig nem pontosan tisztázott kérdése

A japán csillagászok eredményei arra utalnak, hogy a kozmológia törvényei a világegyetem történetének hajnalán másképp működhettek, mint napjainkban.

A téridő és a sötét anyag titkai

A Nagojai Egyetem (Japán) kutatói által irányított együttműködésben csillagászok nemzetközi csoportja a galaxisokat körülvevő sötét anyag természetét vizsgálta az univerzum 12 milliárd évvel ezelőtti állapotában – vagyis több milliárd évvel korábban, mint amilyen régre az eddigi hasonló kutatások visszatekintettek. Eredményeik, melyeket a Physical Review Letters című folyóiratban közöltek, azt az elgondolkodtató lehetőséget vetik fel, hogy a kozmológia alapvető törvényszerűségei a világegyetem korai története során különbözhettek a maiaktól.

A táguló univerzum modellje az ősrobbanástól napjainkig Forrás: NASA

Nem könnyű a múlt ilyen mélységeibe belelátni, különösen, ha a sötét anyagról van szó. A fény véges sebessége miatt a távoli galaxisokat nem a pillanatnyi állapotukban látjuk, hanem olyannak, amilyenek évmilliárdokkal ezelőtt voltak.

Ám a sötét anyagot sokkal komplikáltabb megfigyelni, hiszen – amint arra a neve is utal – nem bocsát ki fényt.

Képzeljünk el egy roppant távoli galaxist – egy úgynevezett háttérgalaxist –, amely még annál is messzebb van tőlünk, mint az, amelyiknek a sötét anyagát vizsgálni kívánjuk.

Minél távolabbi galaxist észlelünk, annál messzebb tekintünk a múltba Forrás: NASA/JPL-Caltech

A hozzánk közelebb eső galaxis gravitációs mezeje, amelyhez a sötét anyaga is hozzájárul, az einsteini általános relativitáselmélet jóslatainak megfelelően eltorzítja a körülötte lévő téridőt.

Albert Einstein alkotta meg az általános relativitáselméletet, illetve a téridő fogalmát Forrás:Popper Foto/Getty Images

Ahogy a háttérgalaxisból érkező fény áthalad ezen a torzult téridőn, elhajlik, így a galaxis látszólagos formája megváltozik.

Minél több a közbeeső galaxisban a sötét anyag, annál erősebb ez a formaváltozás.

A tudósok így a torzítás mértékéből ki tudják számítani a közbeeső (ún. „lencseként" viselkedő) galaxisban található sötét anyag mennyiségét. Egy bizonyos ponton túl azonban a tudomány problémába ütközik.

A sötét anyag legújabb térképe Forrás: N. Jeffrey; Dark Energy Survey Collaboration

Az univerzum legtávolabb eső galaxisaiból hozzánk eljutó fény hihetetlenül halvány. Ezért aztán minél messzebbre tekintünk a Földtől, annál kevésbé hatékony a fenti technika. A lencsetorzítás nagyon parányi és a legtöbb esetben nehezen észlelhető hatás, így a számításokhoz sok háttérgalaxis megfigyelése szükséges.

A mikrohullámú háttérsugárzás vihet el a láthatatlan múltba

Az eddigi tanulmány legtöbbje nagyjából ugyanannál a határtávolságnál akadt el. Mivel nem tudtak elegendő számú távoli háttérgalaxist detektálni a lencsetorzítás méréséhez, a sötét anyag mennyiségét legfeljebb 8-10 milliárd évig visszamenve tudták meghatározni. E hiányosság miatt nyitott maradt a kérdés,

hogy miként változhatott a sötét anyag eloszlása a 10 milliárd évvel ezelőtti kor,

illetve az univerzum 13.7 milliárd évvel ezelőtti születése közötti időben.

Az ESA Planck-űrszondájának mérései alapján készített, minden korábbinál részletesebb kép a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás eloszlásáról Forrás: ESA, Planck Collaboration

A Nagojai Egyetem csillagászai Hironao Mijatake vezetésével és a Tokiói Egyetem, a Japán Nemzeti Csillagászati Obszervatórium valamint a Princetoni Egyetem kutatóival együttműködésben úgy kísérelték meg leküzdeni ezeket a nehézségeket és bepillantást nyerni a sötét anyag eloszlásába a világegyetem legtávolibb zugaiban, hogy háttérgalaxisok helyett egy másik fényforrást használtak: azt a mikrohullámú háttérsugárzást, amelyet maga az ősrobbanás bocsátott ki.

A sötét energia létét Einstein kozmológiai állandója is előrevetítette Forrás: TrendinTech

Először a Subaru Hyper Suprime-Cam látható fény-alapú megfigyelései nyomán azonosítottak másfélmillió lencsegalaxist, amelyeknek a 12 milliárd évvel ezelőtti állapotát látjuk a Földről. Ezt követően,

mivel az ennél távolabbi galaxisok fényét már nem vagyunk képesek észlelni,

a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást, vagyis az ősrobbanás által hátrahagyott mikrohullámú maradványsugárzást választották háttérnek, és azt mérték meg az Európai Űrügynökség Planck műholdjának mikrohullámú felvételei alapján, hogy a lencsegalaxisok körüli sötét anyag miként torzítja el ezt a háttérsugárzást.

Őrültnek tűnt az ötlet

„A legtávolibb galaxisok körüli sötét anyagot vizsgálni? Őrült ötletnek tűnt. Senki se gondolta, hogy képesek lehetünk rá – mondta el Maszami Oucsi, a Tokiói Egyetem professzora, aki a megfigyelések jó részét végezte. – De miután tartottam egy előadást egy távoli galaxisokat tartalmazó nagy mintáról, Hironao odajött hozzám, és felvetette, hogy talán a kozmikus háttérsugárzás felhasználásával lehetséges megvizsgálni a sötét anyagot ezek körül a galaxisok körül."

A sötét energia feltárképezése igen nagy kihívást jelent Forrás: NASA/JPL-Caltech

„A legtöbb kutató háttérgalaxisokat használ fényforrásnak a jelentől a 8 milliárd évvel ezelőttig terjedő korszak sötétanyag-eloszlásának elemzéséhez – magyarázza Juicsi Harikane, a Tokiói Egyetem kozmikus sugárzásokat kutató intézetének tanársegédje. – Mi azonban messzebbre, egészen 12 milliárd évvel ezelőttig tudtunk visszatekinteni a múltba, mivel a még távolabbi kozmikus háttérsugárzást használtuk a sötét anyag mérésére.

Az ESO Nagyon Nagy Távcsövén működő VIMOS műszer segítségével egy nemzetközi csillagászcsoport hatalmas égitest-csoportot fedezett fel a korai világegyetemben. Ezt a Hüperiónnak keresztelt galaxis proto-szuperhalmazt új megfigyelések és archív mérések alapos átvizsgálása révén mutatták ki. Ez az eddigi legnagyobb méretű és tömegű képződmény ilyen távol és ilyen távoli múltban — mindössze 2 milliárd évvel az ősrobbanás után Forrás: ESO/L. Calçada & Olga Cucciati et al.

Amit így láttunk, az mindössze 1.7 milliárd évvel a világegyetem kezdete utáni állapot, így a galaxisokat közvetlenül a kialakulásuk utáni formájukban tanulmányozhattuk."

Nagyon másként néztek ki a dolgok tízmilliárd éve

„Örülök, hogy sikerült ablakot nyitnunk egy eddig sosem látott korszakra – teszi hozzá Mijatake. – Tizenkétmilliárd évvel ezelőtt nagyon másképp néztek ki a dolgok.

Több formálódóban lévő galaxist látunk, mint ma, és az első galaxishalmazok éppen csak kezdenek kialakulni."

- A galaxishalmazok a gravitáció által összetartott csoportosulások 100-1000 galaxissal és a köztük lévő nagy mennyiségű sötét anyaggal.

Az ősrobbanás után még más törvényszerűségek érvényesülhettek Forrás: NASA

„Eredményünk nagyon következetes képet nyújt a galaxisokról és azok fejlődéséről, illetve a bennük és körülöttük található sötét anyagról, és arról, miként változik ez a kép az idővel" – nyilatkozta Neta Bahcall, a Princetoni Egyetem csillagászat és asztrofizika professzora.

A kutatók egyik legizgalmasabb felfedezése a sötét anyag „csomósságával" kapcsolatos.

A kozmológia sztenderd elmélete, a lambda-CDM modell szerint a kozmikus háttérsugárzásban tapasztalható finom ingadozások nagyobb sűrűségű területeknek felelnek meg a téridőben, amelyek gravitáció útján magukhoz vonzzák az anyagot.

A MACSJ0717.5+3745 jelű galaxishalmaz., erős gravitációs lencsehatást fejt ki Forrás: NASA/ESA Hubble Space Telescope

Ezekből az inhomogenitásokból alakulnak ki aztán a csillagok és a galaxisok. A mostani mérések azonban a lambda-CDM modell jóslatához képest kevésbé csomósnak találták a korai univerzumot. Mijatake lelkesen fejtegeti a lehetőségeket. „A megfigyeléseinkben még van némi bizonytalanság, ám amennyiben helyesnek bizonyulnak, az is kiderülhet belőlük, hogy az egész modell érvényét veszti, ahogy visszafelé haladunk az időben.

Az ősrobbanás művészi ábrázolása Forrás: Solar Story

- Ez elég izgalmas, mert ha az eredményeink a bizonytalanságok csökkentése után is talpon maradnak, a modell helyesbítésére késztethetnek, amivel a sötét anyag természetéről is többet megtudhatunk."

A cél, visszanyúlni egészen a kezdetekig

„Egyelőre megpróbálunk jobb minőségű adatokhoz jutni, hogy lássuk, vajon a lambda-CDM modell megmagyarázza-e az univerzumról tett megfigyeléseinket – vázolta Andrés Plazas Malagón, a Princetoni Egyetem kutatója.

– De könnyen az lehet a vége, hogy felül kell vizsgálnunk az elmélet alapjául szolgáló feltevéseket." A tanulmányban kizárólag a már eddig is működő teleszkópok – így a Planck és a Subaru – korábbi megfigyeléseit használták fel, és a csoport a Subaru Hyper Suprime-Cam Survey adatainak csak mintegy egyharmadát tekintette át.

Az ősrobbanás, az univerzum keletkezésének kezdő pillanata, az elméleti fizika legnagyobb, máig nem pontosan tisztázott kérdése Forrás: Space Wallpapers

A következő lépésben a teljes adatmennyiséget fogják elemezni,

ami a sötét anyag eloszlásának pontosabb mérését teszi majd lehetővé.

A jövőben továbbá olyan korszerű adatokat is terveznek bevonni a kutatásba, mint a Vera C. Rubin Obszervatórium Legacy Survey of Space and Time (LSST) nevű adategyüttese, melynek segítségével az űr legrégebbi bugyraiba is betekinthetnek. „Az LSST révén a teljes égbolt felét megfigyelhetjük – hangsúlyozta Harikane. – Nem látom okát, legközelebb miért ne vizsgálhatnánk akár 13 milliárd év távolságból a sötét anyag eloszlását.