Быстрые радиовсплески могут помочь в определении распределения вещества во Вселенной

Новое исследование показывает, что измерение быстрых радиовсплесков (FRB) может помочь в поиске ответов на вопросы о тёмной материи, тёмной энергии, а также о массе нейтрино.

Об этом рассказывают в Калифорнийском технологическом институте, передают OstanniPodii.com.

Интенсивные, короткие вспышки радиоизлучения, называемые быстрыми радиовсплесками (FRB), преодолевают миллиарды световых лет, прежде чем достичь Земли, проходя по пути сквозь «туман» вещества. Происхождение этих вспышек до конца не выяснено, но считается, что они, вероятно, исходят от сильно намагниченных мёртвых звёзд, называемых магнетарами. Чем плотнее «туман», через который проходят FRB, тем сильнее рассеиваются их сигналы — подобно тому, как призма раскладывает белый свет на радугу цветов.

Благодаря этому свойству рассеяния FRB являются прекрасными индикаторами распределения обычной материи во Вселенной; обычная материя — это то же самое, из чего состоят люди, планеты, звезды и всё, что образовано из субатомных частиц, называемых барионами. Когда радиоволны FRB проходят сквозь эту материю в нашей Вселенной, они, по сути, могут составить карту того, сколько её там и насколько она сконцентрирована.

Эта анимация демонстрирует, как сигналы от FRB рассеиваются при прохождении через газовые облака вокруг галактик и между ними. Credit: Caltech/Robert Hurt (IPAC - SELab)

В новом исследовании, опубликованном в журнале «Nature Astronomy», учёные показывают, как эти измерения FRB могут помочь решить некоторые из важнейших вопросов космологии.

«Мы установили, что FRB являются одним из ведущих средств исследования распределения вещества во Вселенной», — говорит аспирант в Калтех Критти Шарма, ведущий автор исследования. «Эти данные о FRB можно использовать для совершенствования космологических экспериментов, направленных на поиск ответов на вопросы о тёмной материи, тёмной энергии и массе нейтрино».

Остается много вопросов о природе тёмной энергии — отталкивающей силы или вещества, заставляющего нашу Вселенную разлетаться со всё большей скоростью, — а также о тёмной материи — веществе, которое значительно превосходит по массе обычную материю в нашей Вселенной, но является невидимым. Остаются также загадки, касающиеся нейтрино — призрачных частиц, свободно проникающих сквозь обычную материю, — в частности, относительно массы этих частиц, измерение которой могло бы помочь выяснить, как образовались крупномасштабные галактические структуры во Вселенной.

Предполагается, что тёмная энергия, тёмная материя и нейтрино влияют на то, как материя сгущается, поэтому учёные используют обзоры неба, чтобы составить карту этих скоплений и получить подсказки о природе этих космологических явлений. Проблема заключается в том, что процессы обратной связи внутри галактик также могут влиять на то, насколько равномерно или сконцентрировано распределена материя, затрудняя исследователям возможность точно измерить космологические эффекты.

Все галактики имеют в своих центрах сверхмассивные чёрные дыры, которые ненасытно поглощают материю вокруг себя, одновременно выбрасывая в окружающее пространство потоки горячего, ионизированного — или заряжённого — газа. Взрывающиеся звёзды также могут излучать энергию в галактическое окружение. Эта обратная связь играет роль в сглаживании вещества за пределами галактик, делая его менее сконцентрированным.

«Процесс обратной связи разрежает газ вокруг галактик, перераспределяя вещество на огромные расстояния. Он сглаживает скопления вещества таким образом, что это удивительно похоже на то, что делают массивные нейтрино, или на то, что предсказывают теории тёмной энергии или тёмной материи», — говорит профессор астрономии в Калтех Викрам Рави, соавтор исследования. «Пока учёные не смогут самостоятельно измерить этот вклад обратной связи, они не смогут отличить эти эффекты друг от друга».

Новое исследование, в котором была проанализирована выборка из около 100 FRB, является первым, в котором непосредственно измерено влияние обратной связи на скопления вещества в крупномасштабных регионах вокруг галактик и между ними. Результаты показывают, что галактическая обратная связь действительно сглаживает окружающую материю, делая её менее скоплённой. Однако этот эффект менее выражен, чем то, что было измерено ранее с помощью самых современных обсерваторий, в частности рентгеновского телескопа eROSITA и бывшего микроволнового телескопа Atacama Cosmology Telescope в Чили, работа которого завершилась в 2022 году.

«Наш анализ FRB показывает, как газ, выброшенный в результате астрофизического обратного воздействия, подавляет космическую структуру, давая ограничения, не уступающие результатам рентгеновских и микроволновых исследований», — говорит соавтор Элизабет Краузе из Университета Аризоны. «Это удивительно, учитывая, что в нашей выборке было всего около 100 FRB. Это только начало».

Ожидается, что Deep Synoptic Array (DSA) Калтеха — мощный радиотелескоп, строительство которого запланировано к 2029 году в отдалённой долине в Неваде, — обнаружит десятки тысяч FRB, что значительно усилит способность этих космических событий улучшать измерения в области космологии. Данные с DSA будут синергетически сочетаться с результатами нескольких космологических экспериментов, в частности европейской миссии «Евклид», в которой ключевую роль играют Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) и астрономический центр IPAC Калифорнийского технологического института (Калтех управляет JPL от имени НАСА); Спектроскопический прибор для исследования тёмной энергии (DESI) в Аризоне; обсерватория имени Веры Рубин в Чили; а также недавно запущенный НАСА телескоп имени Нэнси Грейс Роман, в котором JPL и IPAC при Калифорнийском технологическом институте также принимают участие.

«DSA станет прорывом в этой области», — отмечает Рави, являющийся одним из главных исследователей проекта DSA.