Радиоимпульсы раскрывают «недостающую материю» Вселенной

Фото из открытых источников

Астрономы обнаружили огромный тайник ранее невидимой материи, исследуя пустоты между галактиками с помощью импульсов радиоволн от далеких взрывов. Более трех четвертей обычной атомной материи Вселенной скрывается в этих огромных межгалактических пространствах в виде разреженных облаков теплого газа, пишут исследователи в статье, опубликованной в Nature Astronomy.

Более 2 десятилетий астрофизики были обеспокоены «проблемой недостающих барионов»: несоответствием между массой всех звезд, галактик и газовых облаков, которые они могут видеть, и общим количеством барионов — класса частиц, включая нейтроны и протоны, — которые, по их мнению, были произведены Большим взрывом. Радиоимпульсы, называемые быстрыми радиовсплесками (FRB), теперь привели к полному учету барионной материи: семьдесят шесть процентов находятся в теплых межгалактических облаках, 15% — это холодный газ внутри и вокруг галактик, и всего 9% составляют все звезды и планеты. «Я бы сказал, что проблема недостающих барионов по сути решена», — говорит Николас Техос, астроном из Папского католического университета Вальпараисо, который не принимал участия в исследовании. «Благодаря FRB мы теперь смогли закрыть этот барионный бюджет».

Барионная материя сама по себе является лишь частью космоса. Используя различные методы, космологи установили, что около 68% космоса — это темная энергия, таинственная сила, ускоряющая расширение вселенной, а еще 27% — невидимая темная материя, которая удерживает галактики вместе. Всего 5% — это обычная барионная материя, обнаруженная в планетах, звездах и, как полагали астрономы, где-то между галактиками.

FRB, впервые обнаруженные в 2007 году и с тех пор наблюдавшиеся около 1000 раз, дали астрономам новый инструмент для исследования этого не совсем пустого пространства, которое содержит менее 10 частиц на кубический метр. FRB сами по себе загадочны, но исследователи подозревают, что они возникают в далеких галактиках, из сверхплотных, быстро вращающихся и сильно намагниченных остатков выгоревших звезд, называемых магнетарами. Они длятся от миллисекунд до нескольких секунд, в основном как разовые события, хотя некоторые повторяются нерегулярно. По мере того, как всплески распространяются в пространстве, взаимодействия с электронами в межгалактических газах преимущественно замедляют более длинные волны, размывая сигнал. Астрономы используют эту дисперсию, чтобы вычислить, через какой объем газа прошел импульс на своем пути к Земле.

Чтобы превратить это число в измерение плотности межгалактического газа, им также нужно знать, как долго длилось путешествие. Используя массивы широко разнесенных радиотарелок, астрономы могут поймать достаточно фотонов из коротких всплесков, чтобы увеличить масштаб своих родных галактик.

В 2020 году группа, использующая Australian Square Kilometre Array Pathfinder, группу из 36 радиотарелок, разбросанных на расстоянии 6 километров, определила источники полудюжины FRB и использовала сигналы для расчета барионного содержания Вселенной. Число совпало с прогнозами космологов, но, имея всего несколько путей, исследователи не смогли определить, где сконцентрировалась материя, говорит член группы Ксавье Прохаска, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.

Новое исследование опиралось на гораздо большую выборку из 69 обнаруженных FRB, включая один, пришедший с расстояния около 9 миллиардов световых лет. С большей выборкой «вы действительно можете добраться до сути проблемы недостающих барионов, которая заключается не только в том, «есть ли они там», но и в том, «где они прячутся», — говорит руководитель исследования Лиам Коннор, астроном из Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт.

Чтобы найти 39 из этих FRB, команда использовала новый инструмент под названием Deep Synoptic Array 110 (DSA-110), который за последние несколько лет стал одним из лучших в мире охотников за FRB с его коллекцией из 110 тарелок, разбросанных почти на 5 километрах в долине Оуэнс, Калифорния. DSA-110 может определить местоположение FRB с точностью менее одной тысячной градуса, что позволяет другим оптическим телескопам увеличивать масштаб исходной галактики и вычислять расстояние до нее на основе того, как расширение Вселенной сместило ее свет. 

Результаты показали, что большая часть барионной материи не скапливается вокруг галактик, а скорее относительно равномерно распределена в пространстве между ними — признак того, что галактики эффективно выбрасывают газ из своих звезд. Это может произойти, когда старые звезды взрываются как сверхновые или сверхмассивные черные дыры в галактических центрах выбрасывают энергию и частицы. Скорость, с которой выбрасывается материя, и то, как быстро она падает обратно в галактику, известна как галактическая обратная связь и имеет решающее значение для понимания того, как эволюционируют галактики. «Эти измерения дают ценную информацию о том, как процессы галактической обратной связи... перераспределяют барионы в течение космического времени», — говорит Теджос. «Они могут уникально помочь различать различные сценарии обратной связи.

Охотники за барионами уже с нетерпением ждут следующего шага: точного картирования того, что теоретики считают системой взаимосвязанных щупалец газа между галактиками, известной как космическая паутина. Прохаска считает, что это станет возможным, как только радиомассивы смогут обнаруживать FRB тысячами.