Évtizedek után ismét átfogó röntgenfelmérés készült a világegyetemről, amely során katalogizálták és megmérték a kozmosz legnagyobb csomóit: a több száz vagy több ezer galaxisból álló, gigantikus halmazokat. Ezek tömege megmutatja, milyen gyorsan halmozódott fel a kérdéses helyeken az anyag a kozmikus történelem során. Az adatok egy olyan történetről tanúskodnak, amely egyszerre kielégítő és frusztráló: az univerzum nagyjából annyira csomós, amennyire a sztenderd kozmológiai elmélet alapján várjuk.

„Ez sok elméleti szakembert nagyon elszomorít majd” – mondja Vittorio Ghirardini, a Max Planck Földönkívüli Fizikai Intézet (MPE) munkatársa, az eROSITA nevű teleszkóprendszerrel kapcsolatos projekt egyik tagja. „Sokan valami újat remélnek találni, de egyelőre minden rendben levőnek tűnik az elmélettel.”

Röntgenforrások mindenütt

Az eROSITA egy német műszer, amelyet 2019-ben indítottak útjára a Spektr-RG nevű orosz műhold fedélzetén, amely egy kisebb orosz távcsövet is hordoz. Az eROSITA a röntgenforrások újabb „összeírása” volt az egész égbolton, miután a ROSAT, egy másik német szervezésű küldetés ezt már egyszer megtette az 1990-es években.

A lista 710 ezer szupernehéz fekete lyukat tartalmaz távoli galaxisok belsejében, 180 ezer olyan csillagot a Tejútrendszerből, amely elég forró ahhoz, hogy röntgensugárzást bocsásson ki, valamint szupernóva-maradványokat, pulzárokat és más objektumokat. „A felvételek minősége még számunkra is lenyűgöző volt” – mondja Andrea Merloni, az MPE vezető kutatója.

A katalógusban 12 ezer galaxishalmaz is van, amelyek a világegyetem legnagyobb struktúrái közé tartoznak. Mindegyik galaxisoktól hemzseg és gázzal van tele, amelyet a galaxisok gravitációja olyan sűrűvé tesz, amíg elég forró nem lesz ahhoz, hogy röntgensugárzást bocsásson ki. Az eROSITA kutatói e halmazok egy részhalmazát, 5259-et tanulmányozva végeztek méréseket az univerzum fejlődésével kapcsolatban.

A jelenlegi elmélet szerint a világegyetem három fő összetevőből áll: nagyjából 5%-ban normál anyagból, csillagokból, bolygókból és a köztük lévő gázokból, 25%-ban a titokzatos sötét anyagból, amely láthatatlan az elektromágneses tartományban, de gravitációja tartja össze a forgó galaxisokat és torzítja a háttérgalaxisok fényét, és 70%-ban sötét energiából, az üres terek nyomását adja, felgyorsítva a világegyetem tágulását. A vonatkozó elméletet lambda-CDM teóriának nevezik, ahol a lambda egy állandóra utal, amely a tér eredendő rugalmasságát adja, a CDM pedig a hideg sötét anyagot jelenti.

Inkonzisztens adatok

A lambda-CDM nagyon jól leírja a világegyetemet, viszont bizonyos tekintetben a közeli világegyetem nem egészen úgy néz ki, ahogyan kellene, ha a lambda-CDM szerint fejlődött volna. A kozmológusok régóta vitatkoznak arról, hogy ezek az inkonzisztenciák pusztán a mérési torzításoknak köszönhetők-e, vagy pedig nyugtalanító jelek arra, hogy a lambda-CDM nem helytálló. Az egyik probléma a Hubble-állandóval, vagyis a világegyetem tágulási sebességének jelzőszámával kapcsolatos: saját kozmikus szomszédságunkban a galaxisok gyorsabban távolodnak egymástól, mint ahogy a lambda-CDM szerint távolodniuk kellene.

A másik, kevésbé ismert probléma az S8 nevű paramétert érinti, amely leírja, hogy mennyire „csomós” az univerzum. Az optikai tartományban végzett vizsgálatok során ezt úgy tudják mérni, hogy a távoli galaxisok alakját vizsgálják, hogy lássák, mennyire torzítja a felvételeket a vizsgált galaxis és a Föld között lévő változatos halmazállapotú, sötét és normál anyag gravitációs hatása, amit gyenge gravitációs lencsézésnek neveznek. A csomósodás a gravitáció és a sötét energia közötti folyamatos „harc” eredménye. Az elmúlt években három optikai felmérés mindegyike során úgy azt találták, hogy a közeli világegyetem kevésbé csomós, mint ahogy azt a lambda-CDM megjósolja: ez arra utal, hogy a sötét energia erősebb, mint az elmélet alapján várták.

Az eROSITA kutatói más megközelítést alkalmaztak. Az egyes halmazok röntgentartományban mért fényességét vizsgálva és ezt más hullámhosszúságú felmérések adataival kombinálva becsülték meg a halmazok tömegét. Az összes vizsgált halmazra vonatkozó tömegbecslések alapján aztán ki tudták számítani az S8 értéket: vagyis hogy mennyire strukturált, mennyire csomós az anyag a kozmoszban. Úgy találják, hogy ez közel áll az elméleti előrejelzéshez.

– mondja Esra Bulbul, az MPE csapatának tagja.

Ofer Lahav, a University College London munkatársa, a gyenge gravitációs lencsézéseket tanulmányozó Dark Energy Survey projekt vezető kutatója szerint kétségkívül érdekes, hogy az új eredmény ellentmond a három gravitációs lencsézésen alapuló vizsgálatnak. Jo Dunkley, a Princeton Egyetem kozmológusa ugyanakkor még nem áll készen arra, hogy azt mondja, az S8 kapcsán megfigyelt inkonzisztenciát semmisnek nyilvánítsa. „Valami van a háttérben, és túl korai lenne azt mondani, hogy a gyenge gravitációs lencsézéssel van a gond” – mondja.

Az eROSITA csapata más kozmológiai mutatókra is kapott értékeket, köztük a w nevű paraméterre, amely sötét energia erősségét írja le. A lambda-CDM szerint ennek pontosan mínusz 1-nek kellene lennie. A legtöbb mérés eredménye közel áll ehhez a számhoz, és az eROSITA adatai is ezt tükrözik, és -1,12-re téve az értéket, +/-0,12-es hibahatárral. Ghirardini számára ez az eROSITA legjelentősebb eredménye. „Ez az univerzum tartalmának 70%-a. Tudni akarjuk, hogy milyen” – mondja.

Mérlegen a neutrínók

Nem minden teoretikus örül azonban azoknak S8- és w-méréseknek, amelyek megfelelnek az elvárásoknak. „Sokan azt reméljük, hogy olyasmit látunk, ami eltér attól, amit eddig tapasztaltunk” – mondja Dunkley, aki szerint az anomáliák utat mutathatnak a kozmosz újfajta megértéséhez.

Az eROSITA a neutrínók tömegének kutatásával kapcsolatban is új adatokat szállított. Az ősrobbanásban számtalan ilyen apró részecske keletkezett, de ezek olyan ritkán lépnek kölcsönhatásba más részecskékkel, hogy tömegük mérése rendkívül nagy kihívást jelent. Mivel azonban a világűrben nagy számban fordulnak elő, gravitációjuk hatással van az anyag eloszlására.

Az eROSITA csapata a vizsgálatok alapján a három különböző típusú neutrínó együttes tömegét legfeljebb 0,22 elektronvoltra becsülte. Ez kevesebb, mint az elektron tömegének egymilliomod része, és összhangban van más mérésekkel. „Minél több független mérésünk van az anyaggal és annak eloszlásával kapcsolatban, annál pontosabban meg tudjuk határozni a neutrínók tömegét” – mondja Dunkley.

Az eROSITA kutatói remélik, hogy méréseik pontosságát tovább tudják javítani.

Viszont az eROSITA talán soha nem tudja befejezni a tervezett 4 éves égboltfelmérést. 2022 februárjában, néhány nappal az ukrajnai orosz invázió kezdete után a csapat hibernáltatta az eszközt, miután Németország minden kutatási együttműködéssel felhagyott Oroszországgal. A megfigyelések azóta is szünetelnek.

Az eROSITA eredményei csak ízelítőt kínálnak abból, hogy mi vár a kutatókra néhány éven belül, amikor elkezdenek ömleni az adatok több nagyszabású, rövidesen induló hasonló égboltfelmérésből, köztük az európai Euclid űrteleszkóptól és a Vera C. Rubin Obszervatóriumtól, egy amerikai támogatású chilei teleszkóptól. Stefano Borgani, a Trieszti Egyetem kozmológusa szerint az eROSITA adatai leginkább azt mutatják meg, hogy milyen messzire juthatunk az elkövetkező években.