Наше лучшее на сегодняшний день представление о материале, связывающем скопления галактик, возможно, позволило определить около 20 процентов недостающей барионной материи Вселенной. Автор: Эшли Балцер Виджил | Опубликовано: 19 ноября 2024 г.
Кадр из моделирования Illustris показывает массивное скопление галактик в центре. Красный, оранжевый и белый цвета показывают горячий газ, а синие и фиолетовые нити изображают космический каркас темной материи. Кредит: Illustris Collaboration
Игра началась! Астрономы, возможно, нашли часть недостающей материи Вселенной благодаря космической детективной работе одной команды.
Дело было открыто более 20 лет. В 1990-х и начале 2000-х годов ученые выследили содержимое Вселенной, используя наблюдения за космическим микроволновым фоновым излучением и модели Большого взрыва. Они обнаружили, что обычная материя (состоящая из знакомых частиц, таких как протоны и нейтроны, вместе называемых барионами) составляет около 4–5 процентов от общей плотности энергии космоса. (Остальная часть космоса состоит из двух загадочных компонентов: темной материи и темной энергии.)
Проблема: Астрономы смогли обнаружить только около половины этих барионов. Суммирование всех видимых барионов в звездах, галактиках и газовых облаках оставило другую половину неучтенной.
С тех пор ученые постепенно раскрыли эту тайну, названную проблемой пропавших барионов. В последние несколько лет исследователи, изучающие быстрые радиовсплески — вспышки радиоволн из космоса, длящиеся всего несколько миллисекунд — использовали свои данные для подтверждения общего числа ожидаемых барионов. Их результаты согласуются с космическим микроволновым фоном, который содержит подсказки об общем количестве обычной материи во Вселенной. Но число все еще было больше, чем мы видели — оставалось неясным, где именно находились пропавшие барионы.
Теоретические модели космической паутины — сети галактик, газа и темной материи, разбросанной по всей Вселенной — предсказывают, что эти барионы могут быть спрятаны в материале, называемом теплой-горячей межгалактической средой (WHIM), распространенной вдоль щупалец газа, которые соединяют скопления галактик. Но обнаружить эту «призрачную» материю чрезвычайно сложно, поскольку газ в WHIM распределен чрезвычайно тонко, в среднем всего 10 частиц на кубический метр (1 кубический метр равен примерно 35 кубическим футам).
Наша собственная галактика еще больше усложняет ситуацию. WHIM испускает так называемые мягкие (с более низкой энергией) рентгеновские лучи, которые поглощаются передним фоном газа и пыли Млечного Пути, через которые нам приходится смотреть. А газ в WHIM чрезвычайно слабый, поэтому телескопам нужна высокая чувствительность и длительная экспозиция, чтобы собрать достаточно фотонов для его изучения.
Подсказки из космического тумана
В исследовании, опубликованном сегодня в Астрономия и астрофизика, ученые опубликовали самый подробный вид WHIM на сегодняшний день и достигли значительного прогресса в разгадке тайны пропавших барионов. Команда объединила рентгеновские наблюдения из расширенного рентгеновского обзора с массивом телескопов с изображениями (eROSITA), чтобы точно измерить газ в почти 8000 нитей газа в WHIM, некоторые из которых охватывают до 65 миллионов световых лет.
Команда также измерила температуру газа в WHIM. При температуре около 10 миллионов градусов по Фаренгейту (5,6 миллионов градусов по Цельсию) он настолько горячий, что должен состоять из заряженных частиц, потому что тепло лишило атомы их электронов. Это важно, поскольку это влияет на то, как газ поглощает или испускает свет, что, в свою очередь, помогает астрономам оценить, сколько там газа.
Затем они измерили плотность газа. Сочетание температуры и плотности позволило им приблизительно оценить общее количество барионной материи в WHIM. И команда подсчитала, что ее может быть достаточно, чтобы объяснить 20 процентов недостающих барионов во Вселенной, хотя неопределенность велика. Текущие многоволновые исследования должны значительно повысить точность этой оценки в течение этого десятилетия.
«Это один из больших вопросов в астрофизике и космологии, наряду с такими загадками, как темная энергия и темная материя», — говорит Эсра Булбул, астрофизик из Института внеземной физики Макса Планка (MPE), которая является соавтором статьи. «Люди искали эти барионы в течение долгого времени, поэтому очень волнительно найти значительную их часть».
Эта анимация иллюстрирует 3D-структуры космических нитей, идентифицированные Sloan Digital Sky Survey, вместе с рентгеновским небом, наблюдаемым eROSITA. Кредит: Сяоюань Чжан/MPE
Продолжающееся расследование
Тем не менее, дело еще далеко не закрыто.
«Команда опиралась на отдельные средние значения для нескольких параметров, включая температуру и распространенность тяжелых элементов», — говорит Майкл Шулл, профессор астрофизических и планетарных наук в Университете Колорадо в Боулдере, который не является автором исследования. Он изучал проблему недостающих барионов более 15 лет. Содержание тяжелых элементов в WHIM служит трассером для общего количества барионов, которые он содержит. «Определение того, как меняется температура, поможет уточнить измерения, как и тщательные геометрические исследования, которые более точно отслеживают пространственную протяженность нитей WHIM».
Объединение наблюдений с различными длинами волн света для получения более полного представления о WHIM — один из следующих шагов, говорит Булбул. Это позволит лучше ограничить температуру и плотность газа, что даст более точный подсчет барионов. Это, в свою очередь, поможет нам лучше понять вселенную.
«Изучение этого дает нам возможность проверить космологические симуляции, сравнивая их с наблюдениями», — говорит Бульбуль. «Это поможет нам узнать, как вселенная эволюционировала до своего нынешнего состояния и как она может продолжать развиваться в будущем».
Сяоюань Чжан, научный сотрудник MPE, возглавлявший исследование, говорит, что обнаружение недостающих барионов также прольет свет на эволюцию галактик. «Пространство, окружающее галактики, не является идеальным вакуумом», — говорит он. «Там есть газ, и он влияет на такие вещи, как изменение цвета галактики, ее формы и скорости звездообразования».
Ученые медленно, но верно решают проблему недостающих барионов. По мере совершенствования наших инструментов и методов оставшиеся барионы, вероятно, будут идентифицированы, а если нет, то мы, возможно, узнаем еще больше о космологической модели, которая предсказывает их существование.