En innovativ tolkning av röntgendata från ett kluster av galaxer kan hjälpa forskare att fullfölja ett uppdrag som de har varit på i decennier:att bestämma den mörka materiens natur.

Fyndet innebär en ny förklaring till en uppsättning resultat gjorda med NASA:s Chandra X-ray Observatory, ESA:s XMM-Newton och Hitomi, ett japanskt röntgenteleskop. Om det bekräftas med framtida observationer, detta kan representera ett stort steg framåt för att förstå naturen av det mystiska, osynligt ämne som utgör cirka 85 % av materia i universum.

"Vi förväntar oss att det här resultatet antingen kommer att vara enormt viktigt eller att det blir totalt misslyckat, ", sa Joseph Conlon från Oxford University som ledde den nya studien. "Jag tror inte att det är halvvägs när du letar efter svar på en av de största frågorna inom vetenskapen."

Historien om detta arbete började 2014 när ett team av astronomer ledd av Esra Bulbul (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge, Mass.) fann en intensitetstopp vid en mycket specifik energi i Chandra- och XMM-Newton-observationer av den heta gasen i Perseus-galaxhopen.

Denna spik, eller utsläppslinje, har en energi på 3,5 kiloelektronvolt (keV). Intensiteten hos emissionslinjen på 3,5 keV är mycket svår om inte omöjlig att förklara i termer av tidigare observerade eller förutspådda egenskaper från astronomiska objekt, och därför föreslogs ett ursprung av mörk materia. Bulbul och kollegor rapporterade också förekomsten av 3,5 keV-linjen i en studie av 73 andra galaxhopar med XMM-Newton.

Handlingen i denna berättelse om mörk materia tjocknade när bara en vecka efter att Bulbuls team skickade in sin tidning en annan grupp, ledd av Alexey Boyarsky från Leiden University i Nederländerna, rapporterade bevis för en emissionslinje vid 3,5 keV i XMM-Newton-observationer av galaxen M31 och Perseus-klustrets utkanter, bekräftar Bulbul et al. resultat.

Dock, dessa två resultat var kontroversiella, med andra astronomer som senare upptäckte 3,5 keV-linjen när de observerade andra objekt, och vissa misslyckas med att upptäcka det.

Debatten verkade vara löst 2016 när Hitomi speciellt utformade för att observera detaljerade egenskaper som linjeemission i röntgenspektra av kosmiska källor, misslyckades med att detektera 3,5 keV-linjen i Perseus-klustret.

"Man kan tro att när Hitomi inte såg 3,5 keV-linjen som vi bara skulle ha kastat in handduken för den här utredningen, " sa medförfattaren Francesca Day, också från Oxford. "Tvärtom, det är här, som i vilken bra historia som helst, en intressant plottwist inträffade."

Conlon och kollegor noterade att Hitomi-teleskopet hade mycket otydligare bilder än Chandra, så dess data om Perseus-klustret består faktiskt av en blandning av röntgensignaler från två källor:en diffus komponent av het gas som omsluter den stora galaxen i mitten av klustret och röntgenstrålning från nära det supermassiva svarta hålet i denna galax. Chandras skarpare vision kan skilja bidraget från de två regionerna. Utnyttja detta, Bulbul et al. isolerade röntgensignalen från den heta gasen genom att ta bort punktkällor från deras analys, inklusive röntgenstrålar från material nära det supermassiva svarta hålet.

För att testa om denna skillnad hade någon betydelse, Oxford-teamet analyserade Chandra-data från nära det svarta hålet i mitten av Perseus-klustret 2009. De hittade något överraskande:bevis för ett underskott snarare än ett överskott av röntgenstrålar vid 3,5 keV. Detta tyder på att något i Perseus absorberar röntgenstrålar vid denna exakta energi. När forskarna simulerade Hitomi-spektrumet genom att lägga till denna absorptionslinje till den heta gasens utsläppslinje sett med Chandra och XMM-Newton, de hittade inga bevis i det summerade spektrumet för vare sig absorption eller emission av röntgenstrålar vid 3,5 keV, överensstämmer med Hitomi-observationerna.

Utmaningen är att förklara detta beteende:att upptäcka absorption av röntgenljus när man observerar det svarta hålet och emission av röntgenljus med samma energi när man tittar på den heta gasen i större vinklar bort från det svarta hålet.

Faktiskt, sådant beteende är välkänt för astronomer som studerar stjärnor och gasmoln med optiska teleskop. Ljus från en stjärna omgiven av ett gasmoln visar ofta absorptionslinjer som produceras när stjärnljus av en specifik energi absorberas av atomer i gasmolnet. Absorptionen sparkar atomerna från ett lågenergitillstånd till ett högenergitillstånd. Atomen sjunker snabbt tillbaka till lågenergitillståndet med emission av ljus av en specifik energi, men ljuset återutsänds i alla riktningar, producerar en nettoförlust av ljus vid den specifika energin – en absorptionslinje – i stjärnans observerade spektrum. I kontrast, en observation av ett moln i en riktning bort från stjärnan skulle bara upptäcka det återutsända, eller fluorescerande ljus vid en specifik energi, som skulle dyka upp som en utsläppslinje.

Oxford-teamet föreslår i sin rapport att partiklar av mörk materia kan vara som atomer genom att ha två energitillstånd separerade med 3,5 keV. Om så är fallet, det kan vara möjligt att observera en absorptionslinje vid 3,5 keV när man observerar i vinklar nära det svarta hålets riktning, och en emissionslinje när man tittar på klustrets heta gas i stora vinklar bort från det svarta hålet.

"Det här är inte en enkel bild att måla, men det är möjligt att vi har hittat ett sätt att både förklara de ovanliga röntgensignalerna som kommer från Perseus och avslöja en ledtråd om vad mörk materia faktiskt är, " sa medförfattaren Nicholas Jennings, även Oxford.

För att skriva nästa kapitel i denna berättelse, astronomer kommer att behöva ytterligare observationer av Perseus-klustret och andra liknande det. Till exempel, mer data behövs för att bekräfta verkligheten av nedgången och för att utesluta en mer vardaglig möjlighet, nämligen att vi har en kombination av en oväntad instrumentell effekt och en statistiskt osannolik dipp i röntgenstrålar vid en energi på 3,5 keV. Chandra, XMM-Newton och framtida röntgenuppdrag kommer att fortsätta att observera kluster för att ta itu med mysteriet med mörk materia.

En artikel som beskriver dessa resultat publicerades i Fysisk granskning D den 19 december, 2017 och ett förtryck finns tillgängligt online.