Ученые обнаружили «недостающую» материю Вселенной

Используя яркие радиовспышки, ученые обнаружили огромный источник материи, о котором ранее не было известно.

Об открытии сообщают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

Значительную часть обычной, наблюдаемой материи Вселенной составляют звезды и галактики. Но уже на протяжении десятилетий ученые пытаются разобраться с космическим парадоксом: ее должно быть гораздо больше.

У физиков есть определённые оценки того, сколько материи было в ранней Вселенной. Вскоре после Большого взрыва примерно 83 процента всей материи во Вселенной составляла невидимая тёмная материя, а остальное — обычная материя. И всё же эти оценки превышают количество обычной материи, которую мы видим сегодня в звёздах и галактиках. Куда же тогда делась вся эта пропавшая обычная материя?

Теперь учёные из MIT в рамках сотрудничества CHIME/FRB использовали удалённые радиосигналы, чтобы обнаружить пропавшую материю в огромном пространстве между галактиками. Команда разработала новый метод поиска пропавшей материи, сопоставляя расположение галактик с данными об обнаружении быстрых радиовспышек.

Быстрая радиовспышка, или FRB, — это чрезвычайно яркая миллисекундная вспышка радиоволн, излучаемая чрезвычайно энергичными явлениями в далекой Вселенной. Путешествуя через пространство, сигнал от быстрого радиовспышки растягивается, или «размазывается», во времени. Чем больше недостающей материи он проходит, тем сильнее размазывается сигнал.

Команда под руководством MIT измерила степень размытия тысяч сигналов FRB, обнаруженных на Земле. Затем они сопоставили каждое размытие FRB с расположением галактик во Вселенной, чтобы определить, какая доля размытия FRB была обусловлена материей галактик, а какая — другой, «скрытой» материей.

Новый метод позволил не только установить наличие «недостающей» материи, но и определить ее местонахождение. В частности, исследователи обнаружили, что она существует в виде очень разреженных облаков, окружающих скопления галактик. Эти облака простираются от галактик на значительно большие расстояния, чем предполагали учёные.

«Мы обнаружили, что в целом там, где больше галактик, вокруг них, как правило, больше «недостающей» материи», — говорит Хаочен Ван, аспирант Института астрофизики и космических исследований имени Кавли при MIT.

Результаты, уже опубликованные в журнале «Physical Review Letters», подтверждают гипотезу о том, что материя выбрасывается за пределы галактик посредством джетов чёрных дыр, взрывов звёзд и других высокоэнергетических процессов внутри галактик. Более того, полученные данные свидетельствуют о том, что такие процессы являются более энергичными, чем считалось ранее.

«Мы обнаруживаем недостающую материю, которая выталкивается на большие расстояния», — говорит Киёси Масуи, доцент кафедры физики MIT. «Эти измерения указывают на то, что активность звёзд и чёрных дыр сильнее и гораздо бурнее, чем предполагалось».

Масуи и Ван являются соавторами нового исследования, к которому также присоединились Шион Эндрю, Адам Ланман, Кензи Ниммо и Райан Райкман из MIT, а также коллеги из многих других учреждений в рамках сотрудничества CHIME/FRB.

Строение материи

Подавляющее большинство обычной, наблюдаемой материи во Вселенной состоит из барионов — типа субатомных частиц, к которым относятся протоны и нейтроны и которые составляют большую часть массы атома. Учёные оценивают, что лишь 17 процентов ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, состояло из «барионной» материи.

Часть этой ранней материи превратилась во всё существенное, что мы видим сегодня: от планет, звёзд и галактик до наших собственных тел. Однако, как поняли учёные, количество материи не совсем сходится. Общая масса всех звёзд, галактик и галактических облаков составляет примерно десятую часть барионной материи, существовавшей в ранней Вселенной. Материи должно быть больше, вероятно, в пространстве между галактиками. Но Вселенная безгранична. Любая остаточная материя, вероятно, существует с чрезвычайно низкой плотностью — примерно один протон на кубический метр, что делает её обнаружение чрезвычайно сложной задачей.

Однако недавно Масуи и другие учёные обнаружили, что такую пропавшую материю можно обнаружить с помощью быстрых радиовспышек (FRB). FRB были впервые открыты в 2007 году, и с тех пор астрономы зафиксировали несколько тысяч этих загадочных ультракоротких сигналов из удаленных галактик, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет.

«FRB хорошо подходят для исследования скрытой материи благодаря своему особому свойству, — говорит Ван. — Сначала они появляются в виде очень быстрой вспышки, а проходя через материю, растягиваются во времени. Мы можем очень точно измерить это растяжение, которое прямо пропорционально количеству скрытой материи, через которую прошел FRB».

Ранее исследователи уже использовали это свойство FRB — удлинение — для обнаружения скрытой материи вокруг галактик. Эти исследования подтвердили существование разреженных облаков в огромных пространствах между галактиками. Масуи и Ван хотели пойти еще дальше.

«Мы не просто выясняем, присутствует ли газ в составе галактики или нет, а видим форму недостающей материи, окружающей галактики», — говорит Ван. «Составляя карту формы недостающей материи, мы можем понять, как формируются галактики и как они взаимодействуют со своим окружением».

Галактические фонтаны

В рамках нового исследования команда составила карту формы «недостающей» материи вокруг галактик, проведя перекрестную корреляцию тысяч измерений FRB с координатами миллионов галактик. Они использовали данные из двух источников: канадского эксперимента по картографированию интенсивности водорода (CHIME) и обследования с помощью спектроскопического прибора для исследования тёмной энергии (DESI).

CHIME — это большой радиотелескоп, расположенный в Британской Колумбии (Канада), предназначенный для сканирования всего северного неба на наличие радиоволн. Телескоп чувствителен к ультракоротким и чрезвычайно ярким радиосигналам, и с начала наблюдений CHIME зафиксировал около 4 000 быстрых радиовспышек по всему небу.

DESI — это прибор, установленный на телескопе Мейолла в Национальной обсерватории Китт-Пик, недалеко от Тусона, штат Аризона. Прибор проводит детальные измерения света, поступающего от более чем 30 миллионов галактик, чтобы получить оценки тёмной энергии — таинственной силы, обусловливающей расширение Вселенной.

На основе каталога обнаруженных сигналов CHIME члены коллаборации CHIME/FRB проанализировали 2 870 сигналов FRB. Каждый сигнал представляет собой вспышку радиоволн на различных длинах волн, от самой высокой до самой низкой энергии. «Синие» волны с более высокой энергией, как правило, в меньшей степени подвергаются воздействию любой невидимой материи, через которую они проходят, и поэтому должны достигать детектора раньше, чем «красные» волны с более низкой энергией, которые подвергаются большей задержке или «размытию» во времени.

Команда измерила размытие различных длин волн каждого FRB, что позволило им напрямую связать эти данные с количеством вещества, которое FRB, вероятно, пролетел, прежде чем достичь детекторов CHIME. Затем Масуи и Ван сопоставили эти измерения с координатами более 6 миллионов галактик, предоставленными данными DESI. Таким образом, они смогли обнаружить связь между недостающей материей и галактиками, а также определить, где одно находится относительно другого.

Их анализ выявил определенную закономерность: отсутствующая барионная материя чаще всего обнаруживалась вокруг галактик и скоплений галактик. Однако вместо того, чтобы скапливаться вблизи галактик в виде плотного шара, недостающая материя была рассеяна на большом радиусе, напоминая диффузное облачко.

«Диаметр галактики составляет, возможно, несколько сотен тысяч световых лет, а мы обнаружили отсутствующую материю на расстоянии до примерно 4 миллионов световых лет», — говорит Масуи. «Это значительно дальше, чем предсказывают модели».

«Мы обнаружили, что активность в галактиках более хаотична, чем мы думали», — говорит Ван. «Они больше похожи на фонтаны и действительно выбрасывают газ на очень большие расстояния».

Новые результаты показывают, что быстрые радиовспышки могут быть надёжным методом поиска исчезнувшей материи. Поскольку CHIME продолжает обнаруживать всё больше FRB, команда утверждает, что их метод может только совершенствоваться.

«Мы впервые добились успеха, и с улучшением качества данных наш метод будет работать ещё точнее», — говорит Масуи.

Проекты CHIME и CHIME/FRB поддерживаются Канадским фондом инноваций, Советом по исследованиям в области естественных наук и инженерии Канады, а также провинциями Британская Колумбия, Квебек и Онтарио. Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом США.

• галактики