Ученые впервые нанесли на карту невидимое вещество между галактиками

Команда астрофизиков под руководством ученых из Массачусетского технологического института, работающая в рамках коллаборации CHIME/FRB, обнаружила местонахождение так называемой «недостающей» обычной материи во Вселенной. Оказалось, что она не исчезла, а находится в разреженных газовых облаках, простирающихся на миллионы световых лет вокруг галактик. Результаты этого прорывного исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

С самого зарождения космологии ученые живут с парадоксом. С одной стороны, у них есть точные расчеты, сколько материи должно было появиться сразу после Большого взрыва. Согласно этим моделям, примерно 83% всей материи во Вселенной приходится на загадочную темную материю, а оставшиеся 17% это привычная нам «обычная» материя, из которой состоят звезды, планеты, газ и даже мы сами. Но вот незадача: если сложить массу всех видимых звезд, галактик и даже пылевых облаков, то мы насчитаем лишь около 10% от той доли обычной материи, которая была предсказана для ранней Вселенной. Остальные 7% словно испарились. Куда же они делись? Этот вопрос долгое время оставался одной из главных загадок астрофизики.

Ответ, как часто бывает, скрывался не в каких-то экзотических частицах, а в огромных пустотах между галактиками. Дело в том, что вся эта недостающая материя существует в крайне разреженном состоянии, в среднем всего один протон на кубический метр пространства. При такой микроскопической плотности ее невозможно увидеть в обычные телескопы, она не светится и не отражает свет. Она просто «прячется» в межгалактической среде, оставаясь невидимой для наших глаз и приборов. Однако природа приготовила для исследователей неожиданный инструмент для ее обнаружения: быстрые радиовсплески.

Эти загадочные сигналы представляют собой сверхъяркие и невероятно короткие всплески радиоволн, которые длятся всего несколько миллисекунд. Они рождаются в далеких галактиках в результате мощнейших энергетических процессов, и, путешествуя к Земле миллиарды лет, проходят сквозь ту самую разреженную среду.

И вот здесь начинается самое интересное. При прохождении через облака вещества высокоэнергетическая часть радиоволн (условно «синие» волны) почти не меняется, а низкоэнергетические («красные») волны начинают задерживаться и приходить на детектор чуть позже. Это явление называют «размытием» сигнала во времени. Чем больше материи оказалось на пути вспышки, тем сильнее будет это размытие. Таким образом, каждый быстрый радиовсплеск несет в себе своеобразную «подпись» всего того вещества, которое он пересек на своем пути.

Именно эту особенность и использовала команда из MIT. Но они пошли дальше простого подсчета количества невидимого газа. Ученые разработали остроумный метод, который позволил не просто подтвердить наличие недостающей материи, но и впервые составить ее объемную карту, связав с конкретными галактиками. Для этого они объединили данные с двух инструментов. Первый — канадский телескоп CHIME, который с 2018 года ведет непрерывную охоту за радиовсплесками и уже зафиксировал почти четыре тысячи таких событий по всему северному небу. Второй — прибор DESI в США, который наблюдает за положением миллионов далеких галактик.

Взяв почти 2900 сигналов от радиовсплесков, исследователи измерили степень размытия каждого из них. А затем они наложили эти точки на карту, составленную по данным о расположении более шести миллионов галактик. Проще говоря, они смотрели: когда всплеск проходит через область, богатую галактиками, меняется ли его «размытие» по сравнению с теми участками, где галактик мало? Сопоставив эти данные, ученые получили поразительную картину.

Оказалось, что недостающая материя действительно концентрируется вокруг галактик и их скоплений, но вовсе не там, где ее ожидали увидеть. Ранее астрономы предполагали, что этот газ должен образовывать относительно плотную оболочку прямо вокруг галактического диска. Однако реальность превзошла все ожидания. Вместо компактного «гало» газ оказался распределен по огромной территории. Если диаметр типичной галактики составляет несколько сотен тысяч световых лет, то окружающее ее разреженное облако простирается в космос на расстояние до 4 миллионов световых лет. Это в десятки раз больше, чем предсказывали теоретические модели.

Такое неожиданное распределение вещества рассказало ученым и о динамике самих галактик. Чтобы выбросить газ так далеко за свои пределы, в галактиках должны происходить чрезвычайно мощные процессы. Речь идет о сверхскоростных струях, которые выбрасываются сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, а также о колоссальной энергии взрывов сверхновых звезд и активных процессах звездообразования. Эти «космические фонтаны» работают с гораздо большей силой, чем считалось ранее. Они буквально «выдувают» вещество из галактик и разносят его на невероятные расстояния, создавая те самые гигантские облака, которые и составили ту самую загадочную недостающую массу.

Таким образом, ученым из коллаборации CHIME/FRB удалось не только найти пропавшие 7% обычной материи, но и доказать, что она рассеяна в гигантских газовых ореолах, окружающих галактики на расстоянии миллионов световых лет. Это открытие подтверждает, что внутригалактические процессы обладают гораздо большей энергией, чем предполагали модели, и что быстрые радиовсплески становятся мощным новым инструментом для изучения скрытой «паутины» Вселенной. По мере накопления новых данных этот метод будет становиться все точнее, помогая лучше понять, как устроена Вселенная.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях