Donkere materie of gewoon zwavel...


Thursday, 19 November 2015

Een internationaal team van sterrenkundigen heeft een nieuwe verklaring gevonden voor geheimzinnige roentgenstraling in clusters van sterrenstelsels, de grootste objecten in het universum. Deze roentgenstralen, met een zeer specifieke energie, kunnen ontstaan als koud waterstofgas botst op
hete zwavel-ionen en zo elektrische lading overdraagt. Eerder werden de roentgenstralen toegeschreven aan een hypothetisch deeltje, het steriele neutrino, mogelijk verantwoordelijk voor donkere materie. Het ladingoverdracht-model levert echter een meer voor de hand liggende verklaring.

Heet (blauw) en koud (rood) gas in het centrum van een cluster van sterrenstelsels (NASA/CXC/Stanford/I.Zhuravleva et al/A.C. Fabian et al)
Heet (blauw) en koud (rood) gas in het centrum van een cluster van sterrenstelsels (NASA/CXC/Stanford/I.Zhuravleva et al/A.C. Fabian et al)

Sterrenkundigen denken dat clusters van sterrenstelsels bestaan uit ongeveer 15% gewone materie, in de vorm van heet gas dat roentgenstraling uitzendt. 85% zou moeten bestaan uit onzichtbare donkere materie. De oorsprong en samenstelling van donkere materie is onbekend. In een van de modellen
voor donkere materie kunnen steriele neutrino's (hypothetische deeltjes die geen interacties aangaan met andere neutrino's maar wel massa hebben) ook roentgenstraling uitzenden als ze vervallen. We weten echter niet hoeveel energie deze roentgenstraling heeft. Sterrenkundigen hebben daarom de
roentgenspectra van clusters doorgespit op zoek naar een signaal dat niet afkomstig kan zijn van roentgenstraling van het hete gas. Verleden jaar meldden twee onderzoeksteams dat ze een onbekende roentgenpiek hadden gevonden, met een energie van 3,5 kilovolt. Bevestiging hiervan zou een echte
doorbraak betekenen in het oplossen van de donkere-materiepuzzel.

"Behalve heet gas komen er in sommige clusters ook substantiele hoeveelheden koud gas voor," zegt SRON-onderzoeker en eerste auteur Liyi Gu. "Dit koude gas bestaat voor het grootste deel uit waterstofatomen. Wanneer zo'n koud atoom botst op een ion van het hete gas, kan het elektron van het
waterstofatoom overspringen naar het ion en zo een roentgenfoton produceren. Als het om een zwavel-ion gaat (een zwavelatoom dat al zijn elektronen kwijt is) heeft de roentgenstraling een energie van precies 3,5 kilovolt. De hoeveelheden koud en warm gas in de clusters zijn voldoende om een
signaal te produceren dat overeenkomt met het signaal dat werd toegeschreven aan steriele neutrino's.

Artist's impression van ASTRO-H (JAXA/ISAS)
Artist's impression van ASTRO-H (JAXA/ISAS)

ASTRO-H
Ladingoverdracht wordt in het laboratorium regelmatig gemeten en zou dus heel goed de bron van de mysterieuze roentgenstraling kunnen zijn. Deze nieuwe, minder exotische verklaring kan worden bekrachtigd door ASTRO-H, de Japanse ruimtetelescoop die begin 2016 wordt gelanceerd.
SRON-sterrenkundige Jelle Kaastra: "ASTRO-H heeft een detector die extreem gevoelig is voor roentgenstraling met een energie van 3,5 kilovolt. In feite begon SRON met de ontwikkeling van het ladingoverdracht-model ter voorbereiding op ASTRO-H."

Het model dat Liyi Gu en zijn SRON-collega's hebben ontwikkeld, maakt gebruik van de berekeningen van Patrick Mullen, student in de onderzoeksgroep van Phillip Stancil van de Universiteit van Georgia. De sterrenkundigen verwachten dat ASTRO-H nog veel meer straling gaat meten als gevolg van
ladingoverdrachten bij onder andere Jupiter, in het interstellaire medium en in clusters van sterrenstelsels.

Meer informatie
Het artikel A novel scenario for the possible X-ray line feature at ~3.5 keV: charge exchange with bare sulfur ions is vandaag online verschenen in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics: http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201527634. Auteurs: Liyi Gu (SRON), Jelle Kaastra(SRON, Universiteit
Leiden), Ton Raassen (SRON, Universiteit van Amsterdam), P. D. Mullen, R. S. Cumbee, D. Lyons en P. C. Stancil (allen Universiteit van Georgia).