Mungkinkah sinyal sinar-X aneh yang berasal dari kluster galaksi Perseus menjadi petunjuk tentang materi gelap yang sulit dipahami di Semesta kita?
Menggunakan data kearsipan dari Chandra X-ray Observatory dan misi XMM-Newton, para astronom menemukan garis emisi sinar-X yang tidak dikenal, atau lonjakan intensitas pada panjang gelombang cahaya sinar-X yang sangat spesifik. Lonjakan ini juga ditemukan di 73 cluster galaksi lain dalam data XMM-Newton.
Para ilmuwan mengusulkan bahwa satu kemungkinan yang menarik adalah bahwa sinar-X dihasilkan oleh peluruhan neutrino steril, jenis neutrino hipotetis yang telah diusulkan sebagai kandidat materi gelap dan diprediksi berinteraksi dengan materi normal hanya melalui gravitasi.
"Kita tahu bahwa penjelasan materi gelap adalah jalan panjang, tetapi imbalannya akan besar jika kita benar," kata Esra Bulbul dari Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian (CfA) di Cambridge, Massachusetts, yang memimpin belajar. "Jadi kita akan terus menguji interpretasi ini dan melihat ke mana kita membawa."
Para astronom memperkirakan bahwa sekitar 85 persen dari semua materi di Semesta adalah materi gelap, bahkan tidak terlihat oleh teleskop yang paling kuat, tetapi dapat dideteksi oleh tarikan gravitasinya.
Cluster galaksi adalah tempat yang baik untuk mencari materi gelap. Mereka mengandung ratusan galaksi serta sejumlah besar gas panas mengisi ruang di antara mereka. Tetapi pengukuran pengaruh gravitasi kluster galaksi menunjukkan bahwa galaksi dan gas hanya membentuk sekitar seperlima dari total massa. Sisanya dianggap materi gelap.
Bulbul menjelaskan dalam sebuah posting di blog Chandra bahwa ia ingin mencoba berburu materi gelap dengan "menumpuk" (pengamatan berlapis-lapis), sejumlah besar pengamatan cluster galaksi untuk meningkatkan sensitivitas data yang berasal dari Chandra dan XMM- Newton.
"Keuntungan besar dari pengamatan susun tidak hanya rasio sinyal-ke-noise yang meningkat (yaitu, jumlah sinyal yang berguna dibandingkan dengan kebisingan latar belakang), tetapi juga efek efek detektor dan latar belakang yang berkurang," tulis Bulbul. "Emisi latar belakang sinar-X dan kebisingan instrumental adalah hambatan utama dalam analisis objek redup, seperti cluster galaksi."
Tujuan utamanya dalam menggunakan teknik penumpukan adalah untuk memperbaiki batas atas sebelumnya pada sifat-sifat partikel materi gelap dan bahkan mungkin menemukan garis emisi lemah dari logam yang sebelumnya tidak terdeteksi.
"Garis emisi lemah dari logam ini berasal dari transisi atom yang diketahui terjadi di atmosfer panas gugusan galaksi," kata Bulbul. “Setelah menghabiskan satu tahun mengurangi, meneliti dengan cermat, dan menumpuk pengamatan sinar-X XMM-Newton dari 73 kluster galaksi, saya melihat garis emisi tak terduga sekitar 3,56 kiloelektron volt (keV), energi spesifik dalam kisaran sinar-X. ”
Secara teori, neutrino steril meluruh menjadi neutrino aktif dengan memancarkan foton sinar-X dalam kisaran keV, yang dapat dideteksi melalui spektroskopi sinar-X. Bulbul mengatakan bahwa hasil timnya konsisten dengan harapan teoritis dan batas atas yang ditempatkan oleh pencarian X-ray sebelumnya.
Bulbul dan rekan-rekannya bekerja selama satu tahun untuk mengkonfirmasi keberadaan garis di berbagai sub-sampel yang berbeda, tetapi mereka mengatakan masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk memastikan bahwa mereka benar-benar mendeteksi neutrino steril.
"Langkah kami selanjutnya adalah menggabungkan data dari Chandra dan misi Suzaku JAXA untuk sejumlah besar gugusan galaksi untuk melihat apakah kami menemukan sinyal sinar-X yang sama," kata rekan penulis Adam Foster, juga dari CfA. “Ada banyak ide di luar sana tentang apa yang bisa diwakili oleh data ini. Kita mungkin tidak tahu pasti sampai Astro-H meluncurkan, dengan tipe baru detektor sinar-X yang akan dapat mengukur garis dengan lebih presisi daripada saat ini. ”
Astro-H adalah misi Jepang lain yang dijadwalkan diluncurkan pada 2015 dengan instrumen resolusi tinggi yang seharusnya dapat melihat detail yang lebih baik dalam spektrum, dan Bulbul mengatakan mereka berharap dapat “secara jelas membedakan garis astrofisika dari sinyal materi gelap. dan beri tahu kami apa sebenarnya emisi sinar-X ini. ”
Karena garis emisi lemah, deteksi ini mendorong kemampuan Chandra dan XMM Newton dalam hal sensitivitas. Juga, tim mengatakan mungkin ada penjelasan selain neutrino steril jika garis emisi sinar-X ini dianggap nyata. Ada cara-cara materi normal di kluster dapat menghasilkan garis, meskipun analisis tim menyarankan bahwa semua ini akan melibatkan perubahan yang tidak mungkin pada pemahaman kita tentang kondisi fisik di kluster galaksi atau rincian fisika atom dari gas yang sangat panas.
Para penulis juga mencatat bahwa bahkan jika interpretasi neutrino steril benar, deteksi mereka tidak selalu menyiratkan bahwa semua materi gelap terdiri dari partikel-partikel ini.
Siaran pers Chandra membagikan pandangan di balik layar yang menarik tentang bagaimana sains dibagikan dan didiskusikan di antara para ilmuwan:
Karena potensi yang menggiurkan dari hasil ini, setelah menyerahkan ke The Astrophysical Journal, penulis memposting salinan makalah ke database yang dapat diakses publik, arXiv. Forum ini memungkinkan para ilmuwan untuk memeriksa makalah sebelum penerimaannya menjadi jurnal yang ditinjau sejawat. Makalah ini memicu sejumlah kegiatan, dengan 55 makalah baru telah mengutip karya ini, sebagian besar melibatkan teori yang membahas garis emisi sebagai bukti yang mungkin untuk materi gelap. Beberapa makalah mengeksplorasi interpretasi neutrino steril, tetapi yang lain menyarankan jenis kandidat partikel materi gelap yang berbeda, seperti axion, mungkin telah terdeteksi.
Hanya seminggu setelah Bulbul et al. menempatkan kertas mereka di arXiv, kelompok yang berbeda, dipimpin oleh Alexey Boyarsky dari Universitas Leiden di Belanda, menempatkan kertas pada bukti pelaporan arXiv untuk garis emisi pada energi yang sama dalam pengamatan XMM-Newton pada galaksi M31 dan pinggirannya dari cluster Perseus. Ini memperkuat bukti bahwa garis emisi itu nyata dan bukan artefak instrumental.
Bacaan lebih lanjut:
Kertas oleh Bulbul et al.
Siaran pers Chandra
Siaran pers ESA
Blog Chandra
