2008.09.23. - Információ a megfigyelhető Világegyetemen határán túlról?

A NASA WMAP űrszondájának adatai alapján távoli galaxishalmazok olyan nem várt mozgását detektálták, melynek okozója a Világegyetem általunk megfigyelhető határain túli anyag gravitációs hatása lehet.

A kutatás vezetője, Alexander Kashlinsky (NASA Goddard Space Flight Center) szerint a vizsgált galaxishalmazok olyan kicsi, ámde mérhető pekuliáris sebességet mutatnak, ami független az Univerzum általános tágulásától és a távolság növekedésével sem változik. Ez pedig teljességgel meglepő és váratlan, ugyanis az általunk megfigyelhető Világegyetem anyageloszlása nem okozhatja. Kashlinsky ezt a kollektív, az Univerzumot kitöltő sötét anyag és sötét energia "szövetében" történő mozgást a "sötét áramlás" (dark flow) elnevezéssel illeti.

A WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) szonda azt vizsgálta, hogy a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás mennyire izotróp, azaz hőmérséklete mennyire irányfüggetlen. A sugárzás izotróp volta az Ősrobbanás egyik legfontosabb kísérleti bizonyítéka. Az már korábban, a COBE (COsmic Background Explorer) hold mérései alapján is ismert volt, hogy az addig teljesen izotrópnak gondolt sugárzás mégsem egészen az, kis skálákon nagyon kicsiny ingadozások előfordulnak benne. A WMAP műszerei jóval érzékenyebbek az elődje által hordozott eszközöknél, térbeli felbontása is jobb, illetve jóval kisebb, mikrokelvines nagyságrendű hőmérsékletváltozások kimutatására is képes. (A Nap-Föld rendszer L₂ Lagrange-pontja körül keringő műszer jelenleg is folytatja a nagy pontosságú további adatgyűjtést.)

A két műhold által detektált anizotrópiának azonban az Ősrobbanástól független okai vannak. A legerősebb hőmérséklet-ingadozásokat galaxishalmazok irányában mérhetjük, ahol a bennük található forró, intenzív röntgensugárást kibocsátó gázban szóródnak a mikrohullámú fotonok. Az ún. inverz Compton-effektusnak köszönhetően a háttérsugárzás fotonjai energiát kapnak a gáz elektronjaitól, aminek eredményeként megváltozik a hullámhosszuk, s így a sugárzás látszólagos hőmérséklete is. A jelenséget összefoglaló néven Sunyaev-Zel'dovich effektusnak hívjuk, melynek két fajtája is ismert, az ún. termális és a kinematikai. Az első esetben a mikrohullámú fotonokkal kölcsönható elektronoknak a hőmérséklet, míg a másodikban valamilyen nagyléptékű mozgás miatt van nagy energiájuk. A galaxishalmazok nem követik teljesen pontosan a Világegyetem tágulását, így a kinematikai SZ effektus miatti hullámhosszváltozások a halmazok egyedi, a táguláshoz képesti mozgásának hatását is magukban hordozzák. Míg a termális SZ effektus nyomait már a múlt század nyolvanas éveiben is észlelték, a körülbelül egy nagyságrenddel kisebb hatást produkáló kinematikai effektust még egyetlen halmaz esetében sem sikerült kimutatni.

A képen a WMAP szonda adatai alapján készített, a kozmikus háttérsugárzás hőmérsékletének eloszlását mutató égbolttérkép látható. A térképen különböző mértékű inhomogenitások figyelhetők meg. A fehér foltokkal jelzett galaxishalmazok irányában az ingadozásokat az okozza, hogy az ezekben található forró intergalaktikus gáz szórja a háttérsugárzás fotonjait, ami hullámhossz-, s így hőmérsékletváltozást eredményez. Az új eredmények szerint úgy tűnik, hogy távoli galaxishalmazok százai mozognak a képen bíborszínű ellipszissel jelölt terület irányába.
[NASA/WMAP/A. Kashlinsky és tsai]

Kashlinksky és Fernando Atrio-Barandela (University of Salamanca) azonban még 2000-ben felvetette, hogy nagyszámú galaxishalmaz vizsgálatával a gyengébb kinematikai SZ effektust talán mégis le lehetne választani a termikusról. Dale Kocevski (Unicersity of California) és Harald Ebeling (University of Hawaii) társaságában neki is láttak körülbelül 700, erős röntgensugárzó galaxishalmaz vizsgálatának, bízva abban, hogy rábukkannak a keresett kicsiny színképi eltolódásra. A minta objektumainak távolsága egészen 6 milliárd fényévig, azaz körülbelül az észlelhető Világegyetem méretének feléig terjed. A halmazkatalógus és a WMAP háttérsugárzás-mérései alapján azonban váratlan dolgot detektáltak, mégpedig a halmazok mintegy 3 millió km/h sebességű mozgását az égbolt egy körülbelül 20 fokos méretű, a Centaurus és a Vela csillagképek között található területe felé. Ráadásul a mozgás sebessége milliárd fényéves skálán független a távolságtól. Az áramlás detektált mérete Kashlinsky szerint egyben azt is jelentheti, hogy az valószínűleg az egész megfigyelhető Világegyetemre kiterjed.

A 3,8 milliárd fényévre található, Lövedékhalmaz (Bullet Cluster) néven is ismert 1E 0657-56 katalógusjelű halmaz egyike annak a több száz galaxishalmaznak, melyek a titokzatos sötét áramlás mentén helyezkednek el.
[NASA/STScI/Magellan/U. Arizona/D. Clowe és tsai]

A felfedezés és a standard kozmológiai modellek azonban nehezen egyeztethetők össze. Ezek szerint ugyanis az ilyen mozgások a növekvő távolsággal egyre kisebbek lesznek. A kozmológiában a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás - az Ősrobbanás után mintegy 380 ezer évvel bekövetkezett folyamatnak a lenyomata, mikor is az Univerzum a sugárzás számára átlátszóvá vált - egy olyan vonatkoztatási rendszer, melyhez képest bármely nagyléptékű mozgásnak izotrópnak, azaz irányfüggetlennek kell lennie.

A problémára talán megoldást kínálhatnak az ún. inflációs Ősrobbanás-modellek. Ezekben a kezdet után nagyon rövid idővel egy rendkívül intenzív tágulási szakasz következik be, melynek során az Univerzum mérete exponenciális módon hirtelen a sokszorosára nő. Az inflációs modellekben az általunk megfigyelhető rész az egész Univerzumnak csak egy töredéke. A WMAP 2006-ban publikált adatai alátámasztani látszanak ezt az elképzelést, ezért Kashlinsky és munkatársai azt mondják, hogy az általuk detektált áramlás tulajdonképpen azon anyag gravitációs hatására adott válasz, ami a gyors felfúvódás miatt a Világegyetem általunk észlelhető tartományának határain túlra került.

A kutatócsoport most a mérések hibáinak csökkentésén, illetve a galaxishalmazokban található millió fokos hőmérsékletű gáz eloszlásának pontosabb feltérképezésén dolgozik. Tervezik egy nagyobb minta összeállítását és az új, márciusban publikált WMAP adatok figyelembe vételét is.

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal Letters c. folyóiratban fog megjelenni.

Forrás:

• NASA GSFC NR, 2008.09.23.
• arXiv:0809.3734v1 [astro-ph]