Где Вселенная прячет свою недостающую массу?

Астрономы потратили десятилетия на поиски около трети «нормального» вещества во Вселенной. Новые результаты рентгеновской обсерватории Чандра, возможно, помогли им найти эту неуловимую недостающую материю.

На основании независимых, хорошо зарекомендовавших себя наблюдений ученые подсчитали, сколько нормального вещества — то есть водорода, гелия и других элементов — существовало сразу после Большого взрыва. В промежутке от первых нескольких минут до первого миллиарда лет большая часть нормальной материи попала в космическую пыль, газ и объекты, такие как звезды и планеты, которые телескопы могут видеть в современной Вселенной.

Проблема в том, что, когда астрономы складывают массу всей нормальной материи в современной Вселенной, примерно треть ее не может быть найдена. (Эта недостающая материя отличается от все еще таинственной темной материи.)

Одна идея заключается в том, что недостающая масса собирается в гигантские нити или нити теплого (температура менее 100 000 Кельвинов) и горячего (температура более 100 000 Кельвинов) газа в межгалактическом пространстве. Эти нити известны астрономам как «горячая межгалактическая среда» или WHIM. Они невидимы для оптических световых телескопов, но часть теплого газа в нитях была обнаружена в ультрафиолетовом свете.

Используя новую технику, исследователи нашли новые и убедительные доказательства горячей составляющей WHIM, основанные на данных Чандры и других телескопов.

«Если мы найдем эту недостающую массу, мы сможем решить одну из самых больших проблем в астрофизике», — говорят ученые. «Где Вселенная спрятала так много своей материи, которая составляет такие объекты, как звезды, планеты и мы?»

Астрономы использовали Чандру, чтобы искать и изучать нити теплого газа, лежащие вдоль пути к квазару, яркому источнику рентгеновских лучей, питаемому быстро растущей сверхмассивной черной дырой. Этот квазар находится на расстоянии около 3,5 миллиардов световых лет от Земли. Если компонент WHIM с горячим газом связан с этими нитями, некоторые из рентгеновских лучей квазара будут поглощаться этим горячим газом. Поэтому ученые искали сигнатуру горячего газа, отпечатанную в рентгеновском свете квазара, обнаруженном Чандрой.

Одна из проблем этого метода заключается в том, что сигнал поглощения WHIM слаб по сравнению с общим количеством рентгеновских лучей, приходящих от квазара. При поиске всего спектра рентгеновских лучей на разных длинах волн трудно отличить такие слабые характеристики поглощения — реальные сигналы WHIM — от случайных флуктуаций.

Астрономы преодолели эту проблему, сосредоточив свои поиски только на определенных частях спектра рентгеновского излучения, уменьшая вероятность ложных срабатываний. Они сделали это, сначала идентифицировав галактики вблизи линии обзора до квазара, которые расположены на том же расстоянии от Земли, что и области теплого газа, обнаруженные по данным ультрафиолета. С помощью этой техники они определили 17 возможных нитей между квазаром и нами, и нашли расстояния до них.

Из-за расширения Вселенной, которая растягивает свет по мере его перемещения, любое поглощение рентгеновских лучей материей в этих нитях будет смещено на более красные длины волн. Количество сдвигов зависит от известных расстояний до нити , поэтому ученые знали, где искать в спектре поглощение из WHIM.

«Наша методика в принципе похожа на то, как вы могли бы проводить эффективный поиск животных на обширных равнинах Африки», — сказал Акос Богдан, автор работы. «Мы знаем, что животные должны пить, поэтому имеет смысл сначала поискать вокруг водопоя».

Хотя сужение поиска помогло, исследователям также пришлось преодолеть проблему слабости поглощения рентгеновских лучей. Таким образом, они усилили сигнал, сложив спектры из 17 нитей, превратив наблюдения продолжительностью 5,5 дней в эквивалент данных почти на 100 дней. С помощью этой техники они обнаружили кислород с характеристиками, свидетельствующими о том, что он был в газе с температурой около миллиона градусов Кельвина.

Исследователи сообщают, что, экстраполируя данные наблюдений за кислородом на полный набор элементов и от наблюдаемой области до локальной вселенной, они могут объяснить полное количество отсутствующего вещества. По крайней мере, в этом конкретном случае, пропавшая материя все-таки скрывалась в WHIM.

Orsolya E. Kovacs et al. Detection of the Missing Baryons toward the Sightline of H1821+643. arXiv:1812.04625 [astro-ph.CO]. arxiv.org/abs/1812.04625