Új eredmények az intergalaktikus anyagról

Az univerzumban megfigyelhető nagy skálájú szerkezet kialakulása és az egész világegyetem fejlődése napjaink tudományának legizgalmasabb kérdései közé tartozik, ezért egyáltalán nem meglepő, hogy sokan foglalkoznak az extragalaxisok vizsgálatával, illetve kozmológiai kutatásokkal.

A csillagászati kutatások jellegzetessége, hogy távolról kell begyűjteni az adatokat, információkat a vizsgálandó égitestekről (néhány naprendszerbeli objektum kivételével), hiszen a csillagok és azok rendszerei az ember számára felfoghatatlanul nagy távolságban vannak. Mivel az elektromágneses sugárzás fénysebességgel terjed – azaz egy tetszőleges foton másodpercenként 300 000 kilométert tesz meg – , minél távolabbra tekintünk, annál korábbi állapotában vizsgálhatjuk a kiszemelt kozmikus objektumot. A Nap fénye körülbelül 8 perc alatt jut el a Földig. Saját galaxisunk, a Tejútrendszer, nagyjából százezer fényév átmérőjű, vagyis kb. 100 000 évbe telik, mire az egyik szélétől az átellenes széléig eljut a fény. A csillagok világában azonban a százezer év rövid időnek számít, mivel fejlődésük millió-milliárd éves időskálán zajlik. Az igazi időutazás a galaxisok világában kezdődik. A millió vagy milliárd fényévre levő galaxisokat és halmazaikat vizsgálva a régmúltba tekintünk vissza, egyfajta régészeti tevékenységet végezve.

Az univerzum fejlődéséről tehát úgy alkothatunk képet, hogy egyre távolabbi galaxishalmazokat vizsgálunk, és a különböző távolságban levő objektumok éppen megfigyelhető állapotából lehet következtetni a kozmikus objektumoknak, illetve az egész univerzumnak a fejlődésére.

Ismereteink szerint az univerzum az ősrobbanással vette kezdetét, és az eredetileg kiterjedés nélküli szingularitásból egy igen rövid felfúvódási fázison túljutva folyamatosan tágul. A kezdetben nagyon forró állapotú univerzum a tágulás során fokozatosan hűl, és egy megfelelő pillanatban bekövetkezett az elemi részecskék kialakulása, majd a legegyszerűbb atomok, a hidrogén és a hélium magjai is létrejöttek. Ezután kezdődött meg a csillagok kialakulása. A csillagok belsejében magfúzió során nehezebb elemek is létrejönnek a két legkönnyebb kémiai elemből, és a fúzió során még rengeteg energia is felszabadul.

A csillagok sugárzási energiáját is éppen ez a fúziós energia biztosítja. A csillagok belsejében zajló folyamatok hatására a nehezebb elemek fel is keverednek, és eljutnak a csillag atmoszférájába, majd onnan az ún. csillagszéllel vagy a csillagfejlődés bizonyos fázisában bekövetkező burokledobással a csillagközi anyagba is bekerülhetnek. Az eredetileg hidrogénből és héliumból álló (és némi lítiumot tartalmazó) csillagközi anyag így nehezebb elemekben is feldúsul, főleg a szén, az oxigén és a nitrogén gyakorisága nő. A fúziós reakciók során azonban a csillagok belsejében nem tud tetszőleges elem létrejönni a periódusos rendszer száznál is több ismert eleme közül.

A vas a legnehezebb elem, amelynek magja még energiafelszabadulással kialakulhat, a vasnál nehezebb elemek termeléséhez már energiát kell befektetni. Ezért a vas előfordulási aránya a csillagközi anyagban azt jelzi, hogy milyen ütemű volt a csillagok kialakulása az adott környezetben.

Werner Norbert és a vezetésével az ELTE Fizikai Intézetében működő Lendület Forró Univerzum Kutatócsoport nagy felbontású röntgenspektrumokat és egyéb megfigyelési adatokat használ a galaxisok közötti teret kitöltő gáz (vagy inkább plazma, hiszen nagyon magas hőmérsékletű, több millió fokos anyagról van szó) tulajdonságainak vizsgálatára. Ennek feltárása kulcsszerepet játszik annak megértésében, hogyan válhatott a világegyetem olyanná, amilyennek ma észleljük.

Azonban az intergalaktikus anyag vizsgálata, de még a kimutatása sem egyszerű. A rendkívül magas hőmérséklet miatt a sokszorosan ionizált elemek atomjai a röntgentartományban sugároznak, ezért a Földön kívül működő csillagászati röntgenszondák műszereivel lehet egyáltalán tanulmányozni a ritka közeget. Mivel az intergalaktikus anyag ionizációs egyensúlyban van, és a sugárzás számára átlátszó, a röntgentartományban felvett színkép emissziós vonalainak erőssége közvetlenül jelzi a vonalat kibocsátó elem gyakoriságát.

A Perseus-galaxishalmazt már korábban elemezték a benne levő intergalaktikus anyag elemösszetételének meghatározására. Ennek során azt is vizsgálták, hogy a vas ionjai hogyan oszlanak el a halmaz centrumától való radiális távolság függvényében. A vas előfordulási gyakoriságából ugyanis a csillagkeletkezési ütem időtől való függésére lehet következtetni.

A Perseus-halmazt a japán Suzaku röntgenszonda egyik kulcsprojektjében vizsgálta Werner Norbert kutatócsoportja. A halmaz központjától kifelé nyolc irányban végeztek méréseket a szondán elhelyezett röntgenspektrométerrel.

A műszer több mint egymillió másodpercig gyűjtötte a galaxishalmaz felől érkező röntgensugárzást. Az eredmény meglepő volt: a centrális rész kivételével (ahol a vas ionjainak előfodulási gyakorisága viszonylag nagy volt) a vas ionjainak egyenletes eloszlása tapasztalható sugárirányban kifelé haladva, de azimutálisan is (azaz körbehaladva a halmaz középpontjából húzott sugarak mentén). Maga a vas gyakorisága a Nap esetében mért jelenlegi gyakoriságnak mintegy harmada (pontosabban 31,4%-a).

Ez a vaseloszlás pedig azt a meglepő tényt sugallja, hogy a vasatomokban való feldúsulás nagyon régen következett be, akkor, amikor maga a galaxishalmaz még ki sem alakult, csak egyedi csillagok voltak nagyon nagy számban, és az azok életútja végén bekövetkezett szupernóvarobbanások „szennyezték be” a tartományt vassal. A Perseus-galaxishalmaz nagyjából 10 milliárd éves, tehát a benne levő intergalaktikus anyag viselkedése tízmilliárd évnél régebbi állapotról nyújt hasznos és érdekes információt.

Az európai és amerikai csillagászokból álló kutatócsoport –  köztük Werner Norbert – arra kérdésre keresték a választ, hogy mennyire egyediek a Perseus-halmazban uralkodó viszonyok. A Suzaku szonda méréseinek archívumából tíz másik galaxishalmazra vonatkozó adatokat gyűjtöttek ki, és a halmazok közös jellemzőjeként azt találták, hogy viszonylag közeliek, hiszen a távolabbi halmazok esetében használhatatlanul alacsony a műszerbe érkező röntgenfluxus, és a kiválogatás során arra törekedtek, hogy a mintában kis, közepes és nagy össztömegű galaxishalmazok is legyenek. A munka során elemzett adatokat 2005 és 2014 között mérte a Suzaku röntgenspektrométere, egy-egy halmazra fél óra és egy nap közötti ideig gyűjtve a jeleket. A jellemző „expozíciós idő” három óra volt. Az a tartomány, amelyet az egyes galaxishalmazok belsejében vizsgáltak, jellemzően ötmillió fényév átmérőjű.

A munka végeredményeként az derült ki, hogy a Perseus-galaxishalmaz területére kapott homogén vaseloszlás nem egyedi kivétel, hanem ez az általános viselkedés a galaxishalmazok esetében.

A vasban (és más fémekben) viszonylag gazdag centrális térségen kívül a vasionok gyakorisága állandó, ráadásul nagyjából azonos valamennyi galaxishalmazra, függetlenül annak tömegétől. Ugyancsak nem tapasztalható összefüggés a vas gyakorisága és az intergalaktikus anyagra jellemző hőmérséklet között.

Ez az eredmény megerősíti és általánossá teszi annak a korábbi felismerésnek az érvényességét, amely szerint a vas feldúsulása az intergalaktikus közegben több mint tízmilliárd évvel ezelőtt következett be, amikor maguk a galaxishalmazok még ki sem alakultak, de csillagok már léteztek, méghozzá igen nagy számban, és nagyon nagy lehetett a csillagkeletkezés üteme.

A kutatások eredményeit részletező szakcikk a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society folyóiratban jelenik meg a közeljövőben.

Forrás: mta.hu