Найдены последние остатки обычной материи Вселенной

Десятилетиями астрономы не могли найти всю атомную материю Вселенной. Но в нескольких новых работах учёные раскрыли места, в которых она пряталась


Компьютерная симуляция горячего газа между галактиками намекает на местоположение недостающей материи Вселенной

Астрономы, наконец, обнаружили последние недостающие части Вселенной. Они прятались от нас с середины 1990-х, когда исследователи решили провести инвентаризацию всей “обычной” материи в космосе – звёзд, планет, газа, всего, что сделано из атомных частичек. (Это не “тёмная материя“, остающаяся совершенно отдельной загадкой). Они довольно неплохо представляли себе, сколько материи должно быть в сумме, на основе теоретического изучения процессов сотворения материи во время Большого взрыва. Изучение реликтового излучения (РИ) – остаточного свечения Большого взрыва – должно было подтвердить эти изначальные оценки.

Так что они просуммировали всю материю, которую могли увидеть – звёзды, газовые облака, и всё такое, все т.н. барионы. И в результате смогли найти только 10% того, что должно было существовать. А когда они учли, что обычная материя составляет лишь 15% от общего количества материи Вселенной – всё остальное занимает тёмная материя – то получилось, что их инвентаризация охватила лишь 1,5% от всей материи во Вселенной.

В серии из трёх недавних работ астрономы определили последние куски всей обычной материи во Вселенной (но они до сих пор невероятно озадачены вопросом состава тёмной материи). И, несмотря на то, что на это определение ушло так много времени, исследователи заметили материю именно там, где и предполагали: в протяжённых нитях горячего газа, пересекающих в целом пустые бездны между галактиками, более точно называемых тёпло-горячей межгалактической средой [warm-hot intergalactic medium], или WHIM.

Стопка из миллиона галактик

Ранние признаки возможности наличия длинных отрезков невидимого газа между галактиками появились в компьютерных симуляциях от 1998 года. “Мы хотели посмотреть, что происходит со всем газом во Вселенной”, – сказал Джеремайа Острикер, космолог из Принстонского университета, создавший одну из этих симуляций со своим коллегой Ренью Ченом. Они запускали симуляции движения газа во Вселенной, на который воздействовала гравитация, свет, взрывы сверхновых и все другие силы, передвигающие материю в космосе. “Мы пришли к заключению, что газ будет накапливаться в нитях, которые в принципе можно обнаружить”, – сказал он.

Вот только их не обнаружили – на тот момент.

“С ранних дней космологических симуляций было ясно, что многие барионы окажутся в горячей и рассеянной форме, а не в галактиках”, – сказал Йен Маккарти, астрофизик из Ливерпульского университета Джона Мурса. Астрономы ожидали, что эти горячие барионы встроятся в космическую сверхструктуру, состоящую из невидимой тёмной материи, протянувшейся сквозь необъятные пустоты между галактиками. Гравитационное воздействие тёмной материи вытянет газ по направлению к ней и разогреет его до миллионов градусов. К несчастью, горячий и рассеянный газ очень сложно обнаружить.


Анна де Граф

Несколько исследовательских команд искали этот газ, в процессе находя небольшие кусочки недостающей материи. К 2014 астрономы нашли примерно 70% от него. Но 30% всё равно не хватало.

Чтобы увидеть скрытые нити, две независимые команды искали следы определённых искажений в РИ, послесвечении Большого взрыва. В процессе распространения этого света по космосу, он может подвергаться влиянию участков, сквозь которые проходит. В частности, электроны в горячем ионизированном газе (таком, как WHIM), должны взаимодействовать с фотонами РИ, придавая им дополнительную энергию. И тогда спектр РИ должен искажаться.

К несчастью, на самых лучших картах РИ (полученных спутником Планк) не было видно подобных искажений. Либо газа не было, либо его влияние было слишком незначительным, чтобы проявить себя.

Но две команды исследователей были полны решимости проявить их. Благодаря очень детализированной компьютерной симуляции Вселенной они знали, что газ должен растягиваться между массивными галактиками, как паутина на подоконнике. Планк не мог видеть газ между любой из пар галактик. Поэтому исследователи придумали, как усилить слабый сигнал в миллион раз.

Сначала учёные просмотрели каталоги известных галактик, чтобы найти подходящие пары – достаточно массивные галактики, находящиеся на нужном расстоянии друг от друга, чтобы создать достаточно толстую паутину газа между ними. Затем астрофизики вернулись к данным Планка, определили, где располагаются все пары галактик, и вырезали эти части небесной сферы при помощи цифровых ножниц. Получив более миллиона вырезок (в исследовании, которое вела Анна де Грааф, аспирант из Эдинбургского университета), они развернули их все и увеличили так, чтобы все пары галактик оказались в одних и тех же местах. Затем они наложили миллион галактических пар друг на друга. (Группа под руководством Хидеки Танимура из Института космической астрофизики из г. Орсе во Франции скомбинировали 260 000 пар галактик). И, наконец, отдельные нити – призрачные отрезки разреженного горячего газа – внезапно проявились.


А) Изображения миллионов галактических пар выровнены и сложены вместе
B) Астрономы разметили газ внутри галактик
С) Вычтя галактики В из оригинального изображения А, исследователи раскрыли нитевидный газ, прячущийся в межгалактическом пространстве

Яндекс.Еда: скидка 25% при первом заказе на сумму от 700 рублей, промокод AGHGYY

Оплатите подписку, и реклама отключится

У технологии есть свои недостатки. Майкл Шалл, астроном из Колорадского университета в Болдере, говорит, что для интерпретации результатов требуются предположения о температуре и пространственном распространении горячего газа. И из-за наложения сигналов, “приходится беспокоиться о “слабых сигналах”, причиной которых является комбинирование большого количества данных, – сказал он. – Как часто бывает в опросах общественного мнения, можно получить ошибочные результаты, внеся в распределение данных предубеждения или изолировав их часть, и исказив статистику”.

В частности из-за этих подозрений космологическое сообщество не считает вопрос решённым. Необходимо было найти независимый способ измерения горячего газа. И этим летом он появился.

Эффект маяка

Пока две первые команды создавали наложения сигналов, третья команда попробовала другой подход. Они исследовали далёкий квазар – яркий маяк, расположенный в миллиардах световых лет от нас – и использовали его для обнаружения газа во вроде бы пустом межгалактическом пространстве, сквозь которое проходил его свет. Это было похоже на исследование луча далёкого маяка с целью изучения окружающего его тумана.

Обычно когда астрономы так делают, они пытаются искать свет, поглощаемый атомным водородом, самым распространённым веществом во Вселенной. К сожалению, этот вариант отпадал. WHIM настолько горяча, что ионизирует водород, забирая его единственный электрон. В результате получается плазма из свободных протонов и электронов, не поглощающая свет.


Фабрицио Никастро

Поэтому группа решила вместо этого искать другой элемент: кислород. Хотя в WHIM кислорода куда как меньше, чем водорода, у атомного кислорода электронов восемь, а у водорода всего один. Температура WHIM срывает большую часть электронов, но не все. Команда под руководством Фабрицио Никастро из Национального астрофизического института в Риме отслеживала след, поглощаемый кислородом, потерявшим все электроны, кроме двух. Они обнаружили два пузыря горячего межзвёздного газа. Кислород “позволяет отслеживать гораздо больший резервуар водорода и гелия”, – сказал Шалл, работающий в команде Никастро. Затем исследователи экстраполировали количество газа, найденного между Землёй и этим конкретным квазаром, на всю Вселенную. Результат говорит о том, что они нашли недостающие 30%.

Числа также неплохо совпадают с находками исследователей РИ. “Группы смотрят на разные части одной головоломки и получают один ответ – это вселяет уверенность, учитывая разницу их методов”, – сказал Майк Бойлан-Колчин, астроном из Техасского университета в Остине.

Шалл говорит, что следующим этапом станет наблюдение за большим количеством квазаров при помощи рентгеновских и ультрафиолетовых телескопов следующего поколения, с повышенной чувствительностью. “Наблюдаемый нами квазар был самым лучшим и ярким маяком из всех, что мы могли найти. Другие будут более тусклыми, и наблюдения займут больше времени”, – сказал он. Но пока что вывод ясен. “Мы заключаем, что недостающие барионы найдены”, – написала его команда.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

1,446 просмотров всего, 4 просмотров сегодня