Науковці знайшли «зниклу» матерію Всесвіту

Використовуючи яскраві радіоспалахи, вчені виявили величезне джерело матерії, про яке раніше не було відомо.

Про відкриття розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Значну частину звичайної, спостережуваної матерії Всесвіту, складають зорі та галактики. Але вже протягом десятиліть вчені намагаються розібратися з космічною суперечністю: її мало б бути набагато більше.

Фізики мають певні оцінки того, скільки матерії було у ранньому Всесвіті. Незабаром після Великого вибуху приблизно 83 відсотки всієї матерії у Всесвіті складала невидима темна матерія, а решту — звичайна матерія. І все ж ці оцінки перевищують кількість звичайної матерії, яку ми бачимо сьогодні в зорях і галактиках. Куди ж тоді поділася вся ця зникла звичайна матерія?

Тепер вчені з MIT у рамках співпраці CHIME/FRB використали віддалені радіосигнали, щоб виявити зниклу матерію у величезному просторі між галактиками. Команда розробила новий метод пошуку зниклої матерії, поєднуючи розташування галактик з даними про виявлення швидких радіоспалахів.

Швидкий радіоспалах, або FRB, — це надзвичайно яскравий мілісекундний спалах радіохвиль, що випромінюється надзвичайно енергійними явищами у далекому Всесвіті. Подорожуючи крізь простір, сигнал від швидкого радіоспалаху розтягується, або «розмазується», у часі. Чим більше зниклої матерії він проходить, тим сильніше розмазується сигнал.

Команда під керівництвом MIT виміряла ступінь розмиття тисяч сигналів FRB, виявлених на Землі. Потім вони порівняли кожне розмиття FRB з розташуванням галактик у Всесвіті, щоб визначити, яка частка розмиття FRB була зумовлена матерією галактик, а яка — іншою, «зниклою» матерією.

Новий метод дозволив не лише встановити наявність «зниклої» матерії, а й визначити її місцеперебування. Зокрема, дослідники виявили, що вона існує у вигляді дуже розріджених хмар, які оточують скупчення галактик. Ці хмари простягаються від галактик на значно більші відстані, ніж передбачали вчені.

«Ми виявили, що загалом там, де більше галактик, навколо них, як правило, більше «зниклої» матерії», — каже Хаочен Ван, аспірант Інституту астрофізики та космічних досліджень імені Кавлі при MIT.

Результати, вже опубліковані в журналі «Physical Review Letters», підтверджують гіпотезу про те, що матерія викидається за межі галактик через джети чорних дір, вибухи зірок та інші високоенергетичні процеси всередині галактик. Що більше, отримані дані свідчать про те, що такі процеси є більш енергійними, ніж вважали раніше.

«Ми виявляємо зниклу матерію, яка виштовхується на більші відстані», — каже Кійоші Масуї, доцент кафедри фізики MIT. «Ці вимірювання вказують на те, що активність зірок та чорних дір є сильнішою та набагато бурхливішою, ніж передбачалося».

Масуї та Ван є співавторами нового дослідження, до якого також долучилися Шіон Ендрю, Адам Ланман, Кензі Німмо та Раян Райкман з MIT, а також колеги з багатьох інших установ у рамках співпраці CHIME/FRB.

Будова матерії

Переважна більшість звичайної, спостережуваної матерії у Всесвіті складається з баріонів — типу субатомних частинок, до яких належать протони та нейтрони та які становлять більшу частину маси атома. Вчені оцінюють, що лише 17 відсотків раннього Всесвіту, незабаром після Великого вибуху, складалося з «баріонної» матерії.

Частина цієї ранньої матері перетворилася на все суттєве, що ми бачимо сьогодні: від планет, зірок і галактик до наших власних тіл. Однак, як зрозуміли вчені, кількість матерії не зовсім сходиться. Загальна маса всіх зірок, галактик і галактичних хмар становить приблизно десяту частину баріонної матерії, що існувала у ранньому Всесвіті. Матерії має бути більше, ймовірно, у просторі між галактиками. Але Всесвіт безмежний. Будь-яка залишкова матерія, ймовірно, існує з надзвичайно низькою щільністю — приблизно один протон на кубічний метр, що робить її виявлення надзвичайно складним завданням.

Однак нещодавно Масуї та інші вчені виявили, що таку зниклу матерію можна виявити за допомогою швидких радіоспалахів (FRB). FRB були вперше відкриті у 2007 році, і з того часу астрономи зафіксували кілька тисяч цих загадкових ультракоротких сигналів з віддалених галактик, що знаходяться на відстані мільярдів світлових років.

«FRB добре підходять для дослідження зниклої матерії завдяки своїй особливій властивості, — каже Ван. — Спочатку вони з’являються як дуже швидкий спалах, а проходячи крізь матерію, розтягуються у часі. Ми можемо дуже точно виміряти це розтягнення, яке прямо пропорційне кількості зниклої матерії, крізь яку пройшов FRB».

Раніше дослідники вже використовували цю властивість FRB до розтягнення для виявлення зниклої матерії навколо галактик. Ці дослідження підтвердили існування розріджених хмар у величезних просторах між галактиками. Масуї та Ван хотіли піти ще далі.

«Ми не просто з’ясовуємо, чи знаходиться газ у складі галактики, чи ні, а бачимо форму зниклої матерії, що оточує галактики», — каже Ван. «Картуючи форму зниклої матерії, ми можемо зрозуміти, як формуються галактики та як вони взаємодіють зі своїм оточенням».

Галактичні фонтани

У рамках нового дослідження команда склала карту форми «зниклої» матерії навколо галактик, провівши перехресну кореляцію тисяч вимірювань FRB з координатами мільйонів галактик. Вони використовували дані з двох джерел: Канадського експерименту з картографування інтенсивності водню (CHIME) та обстеження за допомогою Спектроскопічного приладу для дослідження темної енергії (DESI).

CHIME — це великий радіотелескоп, розташований у Британській Колумбії (Канада), призначений для сканування всього північного неба на наявність радіохвиль. Телескоп чутливий до ультракоротких та надзвичайно яскравих радіосигналів, і з початку спостережень CHIME зафіксував близько 4 000 швидких радіоспалахів по всьому небу.

DESI — це прилад, встановлений на телескопі Мейолла в Національній обсерваторії Кітт-Пік, поблизу Тусона, штат Аризона. Прилад здійснює детальні вимірювання світла, що надходить від понад 30 мільйонів галактик, щоб отримати оцінки темної енергії — таємничої сили, яка зумовлює розширення Всесвіту.

На основі каталогу виявлених сигналів CHIME члени колаборації CHIME/FRB проаналізували 2 870 сигналів FRB. Кожен сигнал — це спалах радіохвиль на різних довжинах хвиль, від найвищої до найнижчої енергії. «Сині» хвилі з вищою енергією, як правило, менше зазнають впливу будь-якої невидимої матерії, крізь яку вони проходять, і тому повинні досягати детектора раніше, ніж «червоні» хвилі з нижчою енергією, які зазнають більшої затримки або «розмиття» у часі.

Команда виміряла розмиття різних довжин хвиль кожного FRB, що дозволило їм безпосередньо пов’язати ці дані з кількістю речовини, яку FRB, ймовірно, пролетів, перш ніж досягти детекторів CHIME. Потім Масуї та Ван зіставили ці вимірювання з координатами понад 6 мільйонів галактик, наданими даними DESI. Таким чином, вони змогли відшукати зв’язок між відсутньою матерією та галактиками, а також визначити, де одне знаходиться відносно іншого.

Їхній аналіз виявив певну закономірність: відсутня баріонна матерія найбільше виявлялася навколо галактик та скупчень галактик. Однак замість того, щоб скупчуватися поблизу галактик у вигляді щільної кулі, відсутня матерія була розсіяна на великому радіусі, нагадуючи дифузну хмаринку.

«Діаметр галактики становить, можливо, кілька сотень тисяч світлових років, а ми виявили відсутню матерію на відстані до приблизно 4 мільйонів світлових років», — каже Масуї. «Це значно далі, ніж передбачають моделювання».

«Ми виявили, що активність у галактиках є хаотичнішою, ніж ми думали», — каже Ван. «Вони більше схожі на фонтани та справді виштовхують газ на дуже великі відстані».

Нові результати показують, що швидкі радіоспалахи можуть бути надійним методом пошуку зниклої матерії. Оскільки CHIME продовжує виявляти все більше FRB, команда стверджує, що їх метод може лише вдосконалюватися.

«Ми вперше домоглися успіху, і з покращенням якості даних наш метод працюватиме ще точніше», — каже Масуї.

Проєкти CHIME та CHIME/FRB підтримуються Канадським фондом інновацій, Радою з досліджень у галузі природничих наук та інженерії Канади, а також провінціями Британська Колумбія, Квебек та Онтаріо. Це дослідження частково фінансувалося Національним науковим фондом США.

• галактики