Οι ακτίνες γάμμα - το φωτεινότερο, ισχυρότερο φως στο σύμπαν - ταξιδεύουν στον ουρανό αόρατο στα ανθρώπινα μάτια. Αυτές οι εξαιρετικά δραστικές εκρήξεις ακτινοβολίας αναβοσβήνουν από τις εκρήξεις των σουπερνόβα, πυροδοτούν τα συγκρουόμενα αστέρια νετρονίων και εκτοξεύονται από τις πιο πεινασμένες μαύρες τρύπες.
Όταν οι αστρονόμοι μπορούν να τα πιάσουν με τηλεσκόπια ακτίνων-γ, αυτά τα αόρατα πυροτεχνήματα δείχνουν προς ορισμένες από τις πιο εκρηκτικές δομές του σύμπαντος. Τώρα, μια διεθνής ομάδα ερευνητών ελπίζει ότι αυτές οι πανίσχυρες ακτίνες θα μπορούσαν επίσης να οδηγήσουν σε κάτι πολύ πιο ξένο και πιο αόριστο - την αόρατη ουσία γνωστή ως σκοτεινή ύλη.
Σε μια νέα μελέτη που έγινε αποδεκτή για δημοσίευση στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters και αναλύθηκε στη βάση δεδομένων preprint arXiv, οι ερευνητές εξέτασαν αυτό που αποκαλούν το "αδιάλυτο φόντο ακτίνων γάμμα" - δηλαδή όλες τις ασαφείς και μυστηριώδεις ακτίνες γάμμα τα σήματα που απομένουν μετά από γνωστές πηγές όπως οι μαύρες τρύπες και τα σουπερνόβα. Όταν η ομάδα συνέκρινε έναν χάρτη των αδιευκρίνιστων ακτίνων γάμμα με χάρτη πυκνότητας ύλης στην ίδια περιοχή του σύμπαντος, διαπίστωσαν ότι οι ακτίνες ευθυγραμμίζονται ακριβώς με βαρυτικά μαζικές περιοχές όπου προβλέπεται ότι η σκοτεινή ύλη θα κρυφτεί.
Σύμφωνα με τον συν-συγγραφέα της μελέτης Daniel Gruen, αυτή η συσχέτιση δείχνει ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνη για το αμυδρή ακτινοβολία των ακτίνων γάμμα του σύμπαντος. Εάν συμβαίνει αυτό, θα μπορούσε να δώσει στους αστρονόμους κάποια βασικά στοιχεία για τις ιδιότητες της μυστηριώδους ουσίας.
"Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να αποσυντεθεί όπως ένας ραδιενεργός πυρήνας, παράγοντας ακτίνες γάμα όπως συμβαίνει", δήλωσε ο Gruen, αστροφυσικός στο εργαστήριο SLAC του Εθνικού Επιταχυντή του Τμήματος Ενέργειας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στην Καλιφόρνια. "Ή ίσως πολλαπλά σωματίδια σκοτεινής ύλης συγκρούονται, παράγουν ακτίνες γάμμα καθώς αλληλεπιδρούν".
Βόλτες στο σκοτάδι
Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αποτελεί το 85% περίπου της μάζας του σύμπαντος, αν και οι ερευνητές εξακολουθούν να μην είναι θετικοί σε τι ή όπου είναι. Εντελώς αόρατο στα σύγχρονα επιστημονικά όργανα, τα πράγματα δεν έχουν εντοπιστεί ποτέ με επιτυχία.
«Γνωρίζουμε όμως κάποιες ιδιότητες της σκοτεινής ύλης», είπε ο Gruen. «Γνωρίζουμε ότι είναι πολύ συνηθισμένο και γνωρίζουμε ότι έχει μάζα που αλληλεπιδρά με βαρύτητα με άλλες μάζες».
Με άλλα λόγια, αν και η σκοτεινή ύλη είναι αόρατη, κάνει μια ορατή επίδραση στο σύμπαν μέσω της ισχυρής βαρύτητάς της. Μια από αυτές τις επιπτώσεις είναι γνωστή ως βαρυτική φακοί - ουσιαστικά, πώς το φως από τους μακρινούς γαλαξίες παραμορφώνεται από τη βαρύτητα των μαζικών αντικειμένων που περνά στο δρόμο προς τη Γη.
Για τη νέα μελέτη, οι ερευνητές εξέτασαν έναν χάρτη βαρυτικών φακών σε ένα συγκεκριμένο κομμάτι του σύμπαντος, που καταρτίστηκε από ένα έργο που ονομάζεται Έρευνα σκοτεινής ενέργειας (DES). Τοποθετημένη σε ένα τεράστιο τηλεσκόπιο στη Χιλή, η αφιερωμένη φωτογραφική μηχανή της έρευνας ξόδεψε ένα χρόνο με εικόνες υψηλής ευκρίνειας εκατοντάδων εκατομμυρίων γαλαξιών, εστιάζοντας στο σημείο όπου το μακρινό φως είναι περισσότερο αμαυρωμένο από θύλακες έντονης βαρύτητας. Ενώ μερικές από τις πιο ογκώδεις περιοχές στον χάρτη που προκύπτει αντιστοιχούν σε γνωστούς γαλαξίες, άλλες μεγάλες τσέπες δείχνουν πιθανώς την κρυφή επίδραση της σκοτεινής ύλης στην εργασία, είπε ο Gruen.
Για να κατανοήσουμε καλύτερα τι μπορεί να μοιάζει αυτή η επιρροή, οι ερευνητές συνέκριναν αυτόν τον μαζικό χάρτη με ένα χάρτη εκπομπών ακτίνων γάμμα που ανιχνεύθηκε στην ίδια περιοχή από το τηλεσκόπιο φασματικής ακτινοβολίας Fermi της NASA τα τελευταία εννέα χρόνια. Χρησιμοποιώντας ένα μαθηματικό μοντέλο, η ομάδα απομάκρυνε όλες τις ακτινοβολίες που θα μπορούσαν να συνδέονται οριστικά με «κοσμικές» πηγές όπως οι μαύρες τρύπες και τα σουπερνόβα, με βάση την ενεργειακή τους απόδοση, την απόσταση και διάφορους άλλους παράγοντες.
Τώρα, με μόνο τις μυστηριώδεις "ανεπίλυτες" πηγές ακτίνων γάμμα, η ομάδα συνέκρινε και τους δύο χάρτες. Είδαν μια σαφή επικάλυψη μεταξύ περιοχών υψηλής ακτινοβολίας ακτίνων γάμμα και περιοχών με μεγάλη μάζα.
"Αυτή είναι η πρώτη μελέτη, όπου είμαστε σίγουροι ότι, όπου υπάρχουν πολλές ακτίνες γάμμα, υπάρχει και μεγάλη σκοτεινή ύλη", ανέφερε ο Gruen.
Εάν η σκοτεινή ύλη εκπέμπει αληθινά τις ακτίνες γάμμα, αυτό θα μπορούσε να περιορίσει σοβαρά τον τρόπο με τον οποίο εντοπίζεται και από τι είναι πραγματικά φτιαγμένο. Ωστόσο, είναι ακόμα πιθανό ότι το αχνό υπόβαθρο των ακτίνων γάμμα στον χάρτη Fermi δεν έχει καμία σχέση με τη σκοτεινή ύλη, είπε ο Gruen. Το μαθηματικό μοντέλο που οι ερευνητές χρησιμοποίησαν για να εξαλείψουν αυτές τις «κοσμικές» πηγές εκπομπών ακτίνων γάμμα (όπως οι μαύρες τρύπες) βασίζεται σε κάποιες υποθέσεις σχετικά με τις ιδιότητες αυτών των αντικειμένων. Εάν αυτές οι υποθέσεις είναι λανθασμένες, οι μακρινές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνες για πολύ περισσότερο από το μυστηριώδες υπόβαθρο ακτίνων γάμμα από ό, τι οι ερευνητές αντιπροσώπευαν.
"Ίσως αυτό το μοντέλο να είναι ατελές και ίσως να μαθαίνουμε κάτι για αυτές τις μαύρες τρύπες που εκπέμπουν ακτίνες γ", είπε ο Gruen. "Ίσως, αυτές οι μαύρες τρύπες ζουν σε πιο μαζικούς γαλαξίες από ό, τι πιστεύαμε".
Τα περισσότερα δεδομένα τόσο για τις ακτίνες γάμμα όσο και για το βαρυτικό φακό θα βοηθήσουν την ομάδα να ακονίσει το μοντέλο της και να ερμηνεύσει καλύτερα τους χάρτες του σύμπαντος. Από το συμπέρασμα της μελέτης, το DES έχει συγκεντρώσει έξι φορές περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη μαζική διανομή του σύμπαντος και ο δορυφόρος FERMI παραμένει ένα από τα πολλά τηλεσκόπια που εντοπίζουν τις εκρήξεις των ακτίνων-γ. Μια μελέτη παρακολούθησης που θα δείχνει ακόμη πιο σαφή αποτελέσματα θα πρέπει να ακολουθήσει τα επόμενα χρόνια, δήλωσε ο Gruen.
