Magyar kutatók felfedezése segíthet a világegyetem a titokzatos hideg foltjának megértésében

2015. április 20.

2004-ben a csillagászok a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban a vártnál jóval hidegebb területet fedeztek fel, melynek létezésére egészen mostanáig nem tudtak kielégítő magyarázatot adni. Egy magyarok által vezetett kutatócsoport most meggyőző elmélettel állt elő – tanulmányukat az egyik legrangosabb asztrofizikai folyóiratban, a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society áprilisi számában publikálták.

Sugárzás a régmúltból

Univerzumunk kezdetben forró plazmából állt, mely áthatolhatatlan volt a fény és minden egyéb elektromágneses sugárzás számára. Ez a plazma az ősrobbanás után nagyjából 380 000 évvel hűlt le annyira, hogy a benne szabadon mozgó protonok és elektronok hidrogénatomokká egyesüljenek. A világűrben ettől kezdve terjed akadálytalanul a fény, és a világegyetem gyors tágulása miatt vannak olyan távoli területek, ahonnan csak ma érkezik ide az a sugárzás, melyet még ez az ősi plazma bocsátott ki 13,7 milliárd évvel ezelőtt.

A tér folyamatos tágulása miatt e sugárzás hullámhossza idő közben megnőtt, és jelenleg mikrohullámú sugárzásként ér el bennünket: ez a világűrben minden irányból érkező kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás. A mikrohullámú háttérsugárzás az ősrobbanás egyik legfontosabb bizonyítéka, amelynek vizsgálata alapvető fontosságú az univerzum fejlődésének megértése szempontjából.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hőtérképe a WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) műhold adatai alapján. Forrás: NASA

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hőtérképe a WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) műhold adatai alapján. Forrás: NASA

A korai univerzum hőtérképe

Az ősrobbanás után a világegyetemet kitöltő plazma nem volt teljesen homogén, előfordultak benne kisebb-nagyobb sűrűségingadozások, melyekből később az univerzum úgynevezett nagyléptékű szerkezetei, a galaxishalmazok tömörülései, illetve a közöttük lévő nagyobb üres térségek alakultak ki. E sűrűségingadozások – illetve a velük együtt kialakuló hőmérsékletingadozások – nyomot hagytak a ma megfigyelhető kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban is.

A csillagászok csak az 1990-es évek elején, műholdas megfigyelésekkel – COBE, később WMAP, majd Planck – bukkantak rá ezekre az igen enyhe, mikrokelvines nagyságrendű (a kelvin milliomod része) hőingadozásokra, melyekből összeállt (és egyre pontosabbá vált) a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hőtérképe.

PIA16874-CobeWmapPlanckComparison-20130321

Hideg foltok a hőtérképen

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás hőtérképén azonban van néhány furcsa terület. Ezek a hideg foltok, melyek közül a legjelentősebb, 2004-ben felfedezett példány 70 mikrokelvinnel tér el a háttérsugárzás átlaghőmérsékletétől, ami az átlagos hőingadozás négyszerese. A jelenség a világegyetem keletkezését magyarázó jelenlegi fizikai modellben olyan kis valószínűséggel fordul elő, hogy mindenképpen magyarázatra szorul.

A hideg folt területe a déli égbolt Eridanus csillagképének irányába esik. A jobb oldali kinagyított rész a hideg foltot mutatja a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás Planck-műhold által készített hőtérképén, a bal oldali pedig az ugyanezen irányba eső anyageloszlást azon az égbolttérképen, melyet a kutatócsoport a Pan-STARRS1 teleszkóp és a WISE műhold adatai alapján állított össze. A hideg folttal egy irányba eső supervoid (fehér körrel jelölve) látszólagos átmérője meghaladja a 30 fokot. Grafika: Kránicz Gergő, a kép forrása: ESA Planck Collaboration Az ábra nagyobb változata itt tölthető le

A hideg folt területe a déli égbolt Eridanus csillagképének irányába esik. A jobb oldali kinagyított rész a hideg foltot mutatja a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás Planck-műhold által készített hőtérképén, a bal oldali pedig az ugyanezen irányba eső anyageloszlást azon az égbolttérképen, melyet a kutatócsoport a Pan-STARRS1 teleszkóp és a WISE műhold adatai alapján állított össze. A hideg folttal egy irányba eső supervoid (fehér körrel jelölve) látszólagos átmérője meghaladja a 30 fokot. Grafika: Kránicz Gergő, a kép forrása: ESA Planck Collaboration
Az ábra nagyobb változata itt tölthető le

A Frei Zsolt (ELTE Fizikai Intézet) által vezetett Lendület-kutatócsoportfriss eredménye szerint az eltérést nagy valószínűséggel nem a mikrohullámú háttérsugárzás forrásának hőmérsékletingadozása, hanem egy, a forrás és Földünk között található óriási szupergalaktikus struktúra okozza egy kozmológiai jelenség, az integrált Sachs-Wolfe-effektus révén. Eszerint a hatalmas, anyagban ritka térrészeken áthaladó elektromágneses sugárzás hullámhossza nő, vagyis a sugárzás „lehűl”, a sűrűbb térrészeken áthaladva pedig csökken a hullámhossz, vagyis a sugárzás „felmelegszik”.

Galaxisszegény szemüvegen át hűvösebb a világ

Ezt a hatalmas, a Naprendszertől 3 milliárd fényévre található, galaxisokban igen szegény területet – úgynevezett supervoidot – egy háromdimenziós égtérképen sikerült azonosítani, melyet az ELTE vendégkutatójaként Hawaiin dolgozó Kovács András, a Pan-STARRS1 teleszkóp és a NASA Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) műholdjának látható, illetve infravörös tartományban készített felvételei alapján állított össze.

„Kutatócsoportunk két éve csatlakozott a Pan-STARRS égtérképező projekthez, amelynek távcsövét a Hawaii Egyetem építette, és amely projektben a világ mintegy 10 különböző intézete vesz részt. Ez az első olyan galaxisfelmérés, amely kellő mélységben lefedi az égnek azt a részét, ahol a „hideg folt” található. András kitartó munkájának eredménye, hogy mi készítettük el először az adatok alapján a felfedezést lehetővé tévő térképet” – mondta Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezető egyetemi tanára, tudományos rektorhelyettese, az MTA-ELTE Lendület Asztrofizikai kutatócsoport vezetője az mta.hu-nak.

Illusztráció a NASA Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) műholdjáról. Forrás: NASA

Illusztráció a NASA Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) műholdjáról. Forrás: NASA

Túl sok véletlen

A világegyetem szerkezete
Az univerzum nagyléptékű szerkezetét feltérképező megfigyelések már az 1970-es évek végén egyértelművé tették, hogy a galaxisok térbeli eloszlása nem egyenletes. A galaxisok hatalmas szuperklaszterekben csoportosulnak, melyeket falak és vékony szálak kötnek össze egymással. A köztes, közel gömbszimmetrikus régiókat voidnak nevezik. Ezek igen kevés galaxist tartalmaznak, tipikus méretük hozzávetőlegesen 150 millió fényév. A supervoidok ennél is nagyobb léptékű struktúrák, melyek jellemzően több kisebb voidot tartalmaznak.

A Kovács András, Frei Zsolt és kutatótársuk, Szapudi István (a Hawaii Egyetem munkatársa, az ELTE- n működő Lendület-kutatócsoport külső tagja) által felfedezett supervoid még saját kategóriájában is szokatlanul nagynak számít – a magyar csillagászok szerint 1,8 milliárd fényéves átmérőjével ez az ember által valaha felfedezett leghatalmasabb struktúra a világegyetemben. A kutatók szerint ez olyan, mintha ezen a feltárt területen körülbelül 10 ezer galaxis hiányozna az átlagos galaxissűrűség alapján várthoz képest.

Kovács András elmondta, hogy egy ilyen hatalmas supervoid megjelenése önmagában is igen kis valószínűségű esemény, így kicsi az esély arra, hogy ugyanabban az irányban, tőle függetlenül megjelenjen egy hasonlóan valószínűtlen szélsőséges hőmérsékletingadozás a mikrohullámú háttérsugárzás forrásában. A jelenlegi mérési adatok alapján még nem jelenthető ki, hogy az észlelt anomáliáért teljes egészében a supervoid tehető felelőssé, azonban a kutatócsoport tervei közt szerepel, hogy eddigi eredményeiket a Pan-STARRS1 és a Dark Energy Survey (sötétenergia-felmérés) újabb adatai alapján tovább pontosítják.

Egy galaxishalmaz, az Abell 2744 a Hubble-űrtávcső felvételén. Forrás: NASA, ESA/Hubble

Egy galaxishalmaz, az Abell 2744 a Hubble-űrtávcső felvételén. Forrás: NASA, ESA/Hubble

Lendületes címlapsztori

Frei Zsolt kiemelte, hogy tavaly nyáron, amikor egy konferencián előadták felfedezésüket, az olyan nemzetközi visszhangot váltott ki, hogy az akkor közzétett anyagok alapján a New Scientist címlapjánszámolt be róla.

A kutatócsoport cikke az Oxford University Press gondozásában megjelenő Monthly Notices of the Royal Astronomical Society folyóirat áprilisi számában olvasható, online itt érhető el.