Астрономы нашли недостающую материю Вселенной

Астрономы нашли, наконец, последние недостающие части Вселенной. Они скрывались с середины 1990-х годов, и в какой-то момент исследователи решили провести инвентаризацию всей «обычной» материи в космосе, включая звезды, планеты, газ — то есть, все, что состоит из атомных частиц. Ученые имели довольно четкое представление о том, сколько должно быть этой материи. Журнал Wired рассказывает, где же пряталась недостающая материя.

строномы нашли, наконец, последние недостающие части Вселенной. Они скрывались с середины 1990-х годов, и в какой-то момент исследователи решили провести инвентаризацию всей «обычной» материи в космосе, включая звезды, планеты, газ — то есть, все, что состоит из атомных частиц. (Это не «темная материя», которая является отдельной загадкой.) Ученые имели довольно четкое представление о том, сколько должно быть этой материи, исходя из выводов теоретических исследований о ее возникновении в момент Большого взрыва. Исследования реликтового микроволнового фона космического излучения (остатки света от Большого взрыва) позднее подтвердили эти первоначальные оценки.

Они сложили всю материю, которую могли увидеть: звезды, газовые облака и тому подобное. То есть, все так называемые барионы. На их долю пришлось всего 10% от того, сколько должно было быть. А когда ученые пришли к выводу, что обычная материя составляет лишь 15% всей материи во Вселенной (остальное — темная материя), они к этому времени проинвентаризировали всего 1,5% всей материи Вселенной.

Проведя целую серию исследований, астрономы недавно нашли последние куски обычной материи во Вселенной. (Они до сих пор в недоумении, не зная, из чего состоит темная материя.) И хотя на поиски ушло очень много времени, ученые нашли ее именно там, где и рассчитывали найти: в огромных завитках горячих газов, которые занимают пустоты между галактиками. Точнее они называются тепло-горячей межгалактической средой (WHIM).

Первые указания на то, что между галактиками могут существовать обширные области по сути дела невидимого газа, появились на основе компьютерного моделирования в 1998 году. «Мы хотели увидеть, что происходит со всем этим газом во Вселенной», — сказал космолог Джеремайя Острикер (Jeremiah Ostriker) из Принстонского университета, сконструировавший одну из таких моделей вместе со своим коллегой Ренью Сеном (Renyue Cen). Эти ученые смоделировали движение газа во Вселенной под воздействием гравитации, света, взрывов сверхновых звезд и всех тех сил, которые перемещают материю в космосе. «Мы пришли к выводу, что газ накапливается в нитях, которые можно обнаружить», — сказал Острикер.

«С первых дней космологического моделирования стало понятно, что значительная часть барионной материи существует в горячей диффузной форме вне галактик», — рассказал астрофизик Ливерпульского университета им. Джона Мурса Иэн Маккарти (Ian McCarthy). Астрономы думали, что эти горячие барионы будут соответствовать космической суперструктуре, состоящей из невидимой темной материи, которая заполняет гигантские пустоты между галактиками. Сила притяжения темной материи должна притягивать газ и нагревать его до температуры в несколько миллионов градусов. Но к сожалению, найти горячий и разреженный газ исключительно трудно.

Чтобы обнаружить скрытые нити, два коллектива ученых независимо друг от друга начали искать точные искажения реликтового излучения (послесвечение от Большого взрыва). Поскольку свет из ранней Вселенной устремляется потоком через космическое пространство, он может подвергаться воздействию тех регионов, через которые проходит. В частности, электроны в горячем ионизированном газе (который составляет тепло-горячую межгалактическую среду) должны вступать во взаимодействие с протонами из реликтового излучения, причем таким образом, что это будет придавать протонам дополнительную энергию. Следовательно, спектр реликтового излучения должен искажаться.

К сожалению, даже самые лучшие карты реликтового излучения (полученные со спутника «Планк») таких искажений не показали. Либо там не было газа, либо воздействие было слишком слабым и незаметным.

Но ученые из двух команд были полны решимости сделать его заметным. Из компьютерных моделей Вселенной, в которых появлялось все больше деталей, они знали, что газ должен растягиваться между массивными галактиками как паутина по подоконнику. Спутник «Планк» нигде не сумел рассмотреть газ между парами галактик. Поэтому исследователи изобрели способ усилить слабый сигнал в миллион раз.

Сначала они просмотрели каталоги известных галактик в попытке отыскать нужные пары, то есть, галактики, которые достаточно массивны и находятся на таком расстоянии друг от друга, чтобы между ними могла появиться довольно плотная паутина газа. Затем астрофизики вернулись к данным со спутника, определили местонахождение каждой пары галактик и по сути дела вырезали этот регион из космоса при помощи цифровых ножниц. Имея на руках более миллиона вырезок (именно столько было у коллектива аспиранта Эдинбургского университета Анны де Грааф (Anna de Graaff), они начали их вращать, увеличивать и уменьшать, чтобы все пары галактик были видны в одинаковом положении. После этого они наложили миллион галактических пар друг на друга. (Команда исследователей под руководством Хидеки Танимура (Hideki Tanimura) из Института космической астрофизики в Орсе скомпоновала 260 тысяч пар галактик.) И тут отдельные нити, представляющие собой призрачные волокна горячего разреженного газа, внезапно стали видны.

У этого метода есть свои недостатки. По словам астронома Майкла Шулла (Michael Shull) из Колорадского университета в Боулдере, для интерпретации результатов необходимы определенные допущения касательно температуры и распределения горячего газа в пространстве. А из-за наложения сигналов «всегда возникает беспокойство по поводу «слабых сигналов», являющихся результатом комбинирования огромного количества данных. «Как это бывает иногда при проведении социологических опросов, можно получить ошибочные результаты, когда в разбивке появляются выпадающие значения или ошибки случайной выборки, которые искажают статистику».

Исходя отчасти из этих соображений, астрономическое сообщество отказалось считать этот вопрос решенным. Нужен был независимый способ для измерения горячих газов. Этим летом он появился.

Пока две первые группы исследователей накладывали друг на друга сигналы, третья команда начала действовать другим способом. Эти ученые начали наблюдение за далеким квазаром, как называют яркий объект, находящийся на удалении миллиардов световых лет, чтобы обнаружить газ в якобы пустом межгалактическом пространстве, через которое проходит его свет. Это было похоже на изучение луча от далекого маяка с целью анализа скопившегося вокруг него тумана.

Обычно, когда астрономы ведут такие наблюдения, они ищут свет, поглощенный атомарным водородом, поскольку этого элемента во Вселенной больше всего. К сожалению, в данном случае такой вариант был исключен. Тепло-горячая межгалактическая среда настолько раскалена, что она ионизирует водород, лишая его единственного электрона. В результате получается плазма из свободных протонов и электронов, которые вообще не поглощают свет.

Поэтому ученые решили поискать другой элемент — кислород. Кислорода в тепло-горячей межгалактической среде намного меньше, чем водорода, но у атомарного кислорода восемь электронов, в то время как у водорода один. Из-за высокой температуры большинство электронов улетают прочь, но не все. Эта исследовательская группа во главе с Фабрицио Никастро (Fabrizio Nicastro) из римского Национального института астрофизики отследила свет, поглощенный кислородом, утратившим шесть из восьми электронов. Они обнаружили две области раскаленного межгалактического газа. «Кислород дает метку, указывающую на наличие гораздо более крупного объема водорода и гелия», — сказал Шулл, работающий в команде Никастро. Затем ученые сопоставили количество газа, найденного ими между Землей и квазаром, со Вселенной в целом. Результат показал, что они нашли недостающие 30%.

Эти цифры также вполне согласуются с выводами исследования реликтового излучения. «Наши группы рассмотрели разные кусочки одной и той же головоломки и сделали одинаковый вывод, который придает нам уверенности с учетом разницы в методах исследования», — сказал астроном Майк Бойлан-Колчин (Mike Boylan-Kolchin), работающий в Техасском университете в Остине.

По словам Шулла, следующим шагом должно стать наблюдение за большим количеством квазаров при помощи рентгеновских и ультрафиолетовых телескопов нового поколения, обладающих более высокой чувствительностью. «Тот квазар, за которым мы наблюдали, был лучшим и самым ярким маяком, какой мы только смогли найти. Другие будут менее яркими, и наблюдения продлятся дольше», — сказал он. Но на сегодня вывод ясен. «Мы делаем заключение о том, что недостающая барионная материя найдена», — написали ученые.