Швидкі радіосплески можуть допомогти у визначенні розподілу речовини у Всесвіту

Нове дослідження показує, що вимірювання швидких радіосплесків (FRB) може допомогти у пошуку відповідей на питання про темну матерію, темну енергію, а також масу нейтрино.

Про це розповідають у Каліфорнійському технологічному інституті, передають OstanniPodii.com.

Інтенсивні, короткі спалахи радіовипромінювання, які називаються швидкими радіосплесками (FRB), долають мільярди світлових років перед тим, як дістатися Землі, проходячи по дорозі крізь «туман» речовини. Походження цих спалахів до кінця не з’ясоване, але вважається, що вони, ймовірно, походять від сильно намагнічених мертвих зірок, званих магнетарами. Чим щільніший «туман», крізь який проходять FRB, тим сильніше розсіюються їхні сигнали — подібно до того, як призма розкладає біле світло на веселку кольорів.

Завдяки цій властивості розсіювання FRB є чудовими індикаторами розподілу звичайної матерії у Всесвіті; звичайна матерія — це те саме, з чого складаються люди, планети, зорі та все, що утворене з субатомних частинок, які називаються баріонами. Коли радіопромені FRB проходять крізь цю матерію у нашому Всесвіті, вони, по суті, можуть скласти карту того, скільки її там є та наскільки вона скупчена.

Ця анімація демонструє, як сигнали від FRB розсіюються під час проходження крізь газові хмари навколо галактик та між ними. Credit: Caltech/Robert Hurt (IPAC - SELab)

У новому дослідженні, опублікованому в журналі «Nature Astronomy», вчені показують, як ці вимірювання FRB можуть допомогти вирішити деякі з найважливіших питань космології.

«Ми встановили, що FRB є одним з провідних засобів дослідження розподілу речовини у Всесвіті», — каже аспірантка Калтеху Крітті Шарма, головна авторка дослідження. «Ці дані про FRB можна використовувати для вдосконалення космологічних експериментів, спрямованих на пошук відповідей на питання про темну матерію, темну енергію та масу нейтрино».

Залишається багато питань щодо природи темної енергії — відштовхувальної сили або речовини, яка змушує наш Всесвіт розлітатися з дедалі більшою швидкістю, — а також щодо темної матерії — речовини, яка значно переважає за масою звичайну матерію у нашому Всесвіті, але є невидимою. Залишаються також загадки щодо нейтрино — примарних частинок, які вільно проходять крізь звичайну матерію, — зокрема щодо маси цих частинок, вимірювання якої могло б допомогти з’ясувати, як утворилися великомасштабні галактичні структури у Всесвіті.

Передбачається, що темна енергія, темна матерія та нейтрино впливають на те, як матерія згущується, тому вчені використовують огляди неба, щоб скласти карту цих скупчень і отримати підказки щодо природи цих космологічних явищ. Проблема полягає в тому, що процеси зворотного зв’язку всередині галактик також можуть впливати на те, наскільки рівномірною або скупченою є матерія, ускладнюючи дослідникам можливість точно виміряти космологічні ефекти.

Усі галактики мають у своїх центрах надмасивні чорні діри, які ненаситно поглинають матерію поряд із собою, одночасно викидаючи в навколишній простір потоки гарячого, іонізованого — або зарядженого — газу. Зорі, що вибухають, також можуть випромінювати енергію в галактичне оточення. Цей зворотний зв’язок відіграє роль у згладжуванні речовини поза межами галактик, роблячи її менш скупченою.

«Процес зворотного зв’язку розріджує газ навколо галактик, перерозподіляючи речовину на величезні відстані. Він згладжує скупчення речовини таким чином, що це дивовижно схоже на те, що роблять масивні нейтрино, або на те, що передбачають теорії темної енергії чи темної матерії», — каже професор астрономії Калтеху Вікрам Раві, співавтор дослідження. «Доки вчені не зможуть самостійно виміряти цей внесок зворотного зв’язку, вони не зможуть відрізнити ці ефекти один від одного».

Нове дослідження, в якому було проаналізовано вибірку з близько 100 FRB, є першим, в якому безпосередньо виміряно вплив зворотного зв’язку на скупчення речовини у великомасштабних регіонах навколо галактик та між ними. Результати показують, що галактичний зворотний зв′язок дійсно згладжує навколишню матерію, роблячи її менш скупченою. Однак цей ефект є менш вираженим, ніж те, що було виміряно раніше за допомогою найсучасніших обсерваторій, зокрема рентгенівського телескопа eROSITA та колишнього мікрохвильового телескопа Atacama Cosmology Telescope у Чилі, робота якого завершилася у 2022 році.

«Наш аналіз FRB показує, як газ, викинутий внаслідок астрофізичного зворотного впливу, пригнічує космічну структуру, надаючи обмеження, що не поступаються результатам рентгенівських та мікрохвильових досліджень», — каже співавторка Елізабет Краузе з Університету Аризони. «Це дивовижно, враховуючи, що в нашій вибірці було лише близько 100 FRB. Це лише початок».

Очікується, що Deep Synoptic Array (DSA) Калтеху — потужний радіотелескоп, будівництво якого заплановано до 2029 року у віддаленій долині в Неваді, — виявить десятки тисяч FRB, що значно посилить здатність цих космічних подій покращувати вимірювання в галузі космології. Дані з DSA будуть синергійно поєднуватися з результатами кількох космологічних експериментів, зокрема європейської місії «Евклід», у якій ключову роль відіграють Лабораторія реактивного руху НАСА (JPL) та астрономічний центр IPAC Калтеху (Калтех управляє JPL від імені НАСА); Спектроскопічний прилад для дослідження темної енергії (DESI) в Аризоні; обсерваторія імені Вери Рубін у Чилі; а також нещодавно запущений НАСА телескоп імені Ненсі Грейс Роман, у якому JPL та IPAC при Калтеху також беруть участь.

«DSA стане проривом у цій галузі», — зазначає Раві, який є одним з головних дослідників проєкту DSA.

• Швидкі радіосплески