У Всесвіті виявлено речовину, якої бракувало

Автори

Й. Ксав’єр Прохаска (J. Xavier Prochaska), професор астрономії та астрофізики, Каліфорнійський університет, Санта-Круз (Professor of Astronomy & Astrophysics, University of California, Santa Cruz)

Жан-П’єр Маккарт (Jean-Pierre Macquart), доцент кафедри астрофізики Університету Кертіна (Associate Professor of Astrophysics, Curtin University)

matter in the universe 1

Наприкінці 90-х років ХХ ст. космологи зробили передбачення про те, скільки звичайної речовини має бути у Всесвіті. За їхніми оцінками — близько 5%, а решта — це темна матерія і темна енергія. Але коли космологи підрахували все, що вони могли побачити або виміряти в той час, вони знайшли не багато.

Сума всієї звичайної речовини, яку виявили космологи, склала приблизно лише половину того, що мало бути у Всесвіті. Ця загадка відома як «проблема зниклих баріонів» («missing baryon problem»), і вже понад 20 років такі космологи, як ми, невдало шукали її розгадку.

Знадобилися відкриття нового небесного явища і телескоп нової технології, щоб на початку цього року наша команда нарешті знайшла відсутню речовину.

Походження проблеми

Баріони — це тип частинок, своєрідний загальний термін, що позначає протони і нейтрони, будівельні блоки всієї звичайної речовини у Всесвіті. Все, що вказано у періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва, і майже все, що ви вважаєте «речами», складається з баріонів.

З кінця 1970-х космологи підозрюють, що темна матерія — поки невідомий тип матерії, яка має існувати, щоб пояснити гравітаційні взаємодії у просторі — становить більшу частину матерії Всесвіту, а решта — баріонна речовина, але вони не знають точних співвідношень. У 1997 році троє науковців з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго використали співвідношення важких ядер водню, тобто водню з додатковим нейтроном, до нормального водню, щоб підрахувати: баріони мають становити близько 5% від загальної маси та енергії Всесвіту.

Але ще на встигло чорнило висохнути на публікації, як інше тріо космологів підняло яскраво-червоний прапор. Вони повідомили, що кількість баріонів у сучасному Всесвіті — визначена на підставі спостережень зір, галактик та газу всередині та навколо них — становить лише половину від прогнозованих 5%.

Це спричинило проблему відсутності баріонів. Закон природи вказують, що матерію не можна ні створити, ні знищити, тому було два можливі пояснення: або речовини не існувало, і математика давала неправильні результати, або ж речовина десь є прихованою.

matter in the universe 2

Умови у ранньому Всесвіті, які відображають неоднорідності космічного мікрохвильового випромінювання, дали науковцям можливість точно визначити масу баріонів у Всесвіті. Фото з сайту https://theconversation.com.

Безуспішний пошук

Астрономи всього світу почали пошук, і перша підказка з’явилася через рік від космологів. Їхні комп’ютерні моделі передбачали, що більшість зниклої речовини прихована у вигляді гарячої плазми (мільйони градусів) низької щільності, яка пронизує Всесвіт. Її назвали «тепло-гарячим міжгалактичним середовищем» (warm-hot intergalactic medium) або скорочено «WHIM». Якби така плазма існувала, то це знімало б проблему відсутності баріонів, але в той час не було можливості підтвердити наявність такого середовища.

У 2001 році з’явився ще один доказ на користь WHIM. Інша група науковців підтвердила перше передбачення баріонів, що складають 5% Всесвіту, на підставі невеликих коливань температури космічного мікрохвильового фону Всесвіту, тобто випромінювання, що виникло через 380 тис. років після Великого Вибуху. Два незалежних підтвердження кількості баріонів вказували на те, що математичні розрахунки є правильними, і WHIM, здавалося, є відповіддю на загадку. Тепер космологи просто були зобов’язані знайти цю невидиму плазму.

За останні 20 років ми та багато інших груп космологів і астрономів залучили до «полювання» майже всі найбільші обсерваторії Землі. Були деякі «фальстарти» та попередні виявлення гарячого гарячого газу, але одна з наших команд зрештою пов’язала його із газом навколо галактик. Якщо WHIM існував, він був занадто слабким і розсіяним, щоб виявити.

matter in the universe 3

Червоне коло позначає саме те місце, де в галактиці, що лежить від Землі на відстані в мільярди світлових років, виник швидкий радіосплеск. Фото з сайту https://theconversation.com.

Несподівана розгадка у швидких радіосплесках

У 2007 році з’явилася цілком непередбачена можливість. Данкан Лоример (Duncan Lorimer), астроном з Університету Західної Вірджинії, повідомив про відкриття космологічного явища, відомого як швидкий радіосплеск (fast radio burst, FRB). FRB — це дуже короткі, високоенергетичні імпульси радіовипромінювань. Космологи та астрономи досі не знають, що їх спричиняє, але, здається, вони походять з далеких-далеких галактик.

Коли випромінювання, що виникло внаслідок такого сплеску, проходить через космічний простір, проникаючи крізь газ і відоме з теорії середовище WHIM, воно зазнає дисперсії. Швидкий радіосплеск триває менше тисячної частки секунди, і все випромінювання має майже однакову довжину хвиль. Якщо комусь пощастило, або не пощастило, опинитися поблизу місця, де виник FRB, випромінювання усіх довжин хвиль ударило б по ньому одночасно.

Але коли радіохвилі проходять крізь матерію, вони зазнають уповільнення. Що більша довжина хвилі, то сильніше радіохвиля «відчуває» матерію. Згадайте про протидію вітру. Більший автомобіль зазнає сильнішої протидії вітру, ніж менший автомобіль.

Ефект «опору вітру» для радіохвиль неймовірно малий, але простір великий. На той час, коли FRB пройшов мільйони чи мільярди світлових років, щоб досягти Землі, дисперсія сповільнює більш довгі хвилі настільки, що вони приходять майже на секунду пізніше, ніж хвилі коротших довжин.

matter in the universe 4Швидкі радіосплески виникають в далеких галактиках і на шляху до Землі проходять мільйони та мільярди світлових років. Ця відстань дає змогу використати такі сплески для пошуку відсутніх баріонів. Фото з сайту https://theconversation.com.

У цьому полягає потенціал FRB виявляти баріони Всесвіту — можливість, яку нам вдалося виявити. Вимірюючи поширення хвиль різної довжини в межах одного FRB, ми могли обчислити, крізь яку кількість речовини, тобто баріонів, пройшли радіохвилі на шляху до Землі.

Ми були в цьому дуже близько до відповіді, але нам треба було мати останній фрагмент інформації. Щоб точно виміряти щільність баріонів, нам потрібно було знати, звідки надходять FRB. Якби ми знали галактику, де виник сплеск, ми б знали, яку відстань пройшли радіохвилі. Зважаючи на відстань і дисперсію, яку вони зазнали, можливо, ми могли б порахувати, крізь яку кількість речовини вони пройшли на шляху до Землі?

На жаль, можливості телескопів у 2007 році не давали змоги точно визначити, з якої галактики — а отже, і як здалеку, — прийшов швидкий радіосплеск. Ми знали, яка інформація дозволить нам вирішити проблему, тому просто чекали, поки технологія досягне рівня, коли це дасть змогу нам отримати ці дані.

Технічні інновації

Минуло 11 років, поки нам вдалося ототожнити, або локалізувати, наш перший FRB. У серпні 2018 року для нашого проекту під назвою CRAFT ми почали використовувати для пошуку FRB Австралійську дослідницьку антену площею квадратний кілометр (Australian Square Kilometre Array Pathfinder, ASKAP), розміщену в глибинці Західної Австралії. Цей новий телескоп (ним управляє національне наукове агентство Австралії, CSIRO) може спостерігати величезні ділянки неба, приблизно в 60 разів більші, ніж повний Місяць, і виявляти FRB та одночасно визначати, де вони виникли.

ASKAP зареєстрував свій перший FRB через місяць. Як тільки ми точно встановили ділянку неба, звідки походять радіохвилі, ми швидко скористалися телескопом імені Кека на Гаваях, щоб визначити, в якій галактиці виник сплеск і як далеко вона міститься. Перший FRB, який ми виявили, походив з галактики DES J214425.25–405400.81. Якщо вам буде цікаво: вона лежить на відстані приблизно 4 мільярдів світлових років від Землі.

Працювали технології та техніка. Ми виміряли дисперсію від FRB і знали, звідки він. Але нам потрібно було зловити ще декілька з них, щоб досягти статистично значущої кількості баріонів. Тож ми чекали і сподівалися, що Всесвіт надішле нам ще кілька швидких радіосплесків.

До середини липня 2019 року ми виявили ще п’ять подій — достатньо для виконання першого пошуку зниклої речовини. Визначивши дисперсію цих шести FRB, ми змогли зробити приблизний розрахунок, крізь яку кількість речовини пройшли радіохвилі, перш ніж досягти Землі.

Ми пережили як здивування, так і збентеження, коли побачили, як дані лягають прямо на криву, передбачену в теоретичних оцінках кількості баріонів у 5%. Ми виявили відсутні баріони в повному обсязі, вирішивши цю космологічну загадку, і завершили два десятиліття пошуків.

matter in the universe 5

Графік, що показує значення дисперсії, визначеної зі спостережень FRB (точки), у порівнянні з передбаченням космології (чорна крива). Хороший збір підтверджує виявлення всієї відсутньої речовини. Фото з сайту https://theconversation.com.

Цей результат, проте, є лише першим кроком. Ми змогли оцінити кількість баріонів, але, маючи лише шість точок даних, ми ще не можемо створити вичерпну карту зниклих баріонів. Ми маємо докази, що WHIM, ймовірно, існує, і підтвердили, скільки існує такої плазми. Але ми не знаємо, як саме вона розподілена у Всесвіті. Існують припущення, що вона є частиною величезної ниткоподібної мережі газу, яка з’єднує галактики, і яку називають «космічною павутиною» («the cosmic web»). Коли буде відомо приблизно 100 швидких радіо сплесків, тоді космологи зможуть почати будувати точну карту цієї павутини.

За інформацією з сайту https://theconversation.com підготував Іван Крячко

Докладніше про «Наше небо»

Це науково-популярний астрономічний інтернет-журнал для широкого загалу, створений у 2016 році. Назва «НАШЕ НЕБО» виникла у 1998 р. під час обговорення з директором Головної астрономічної обсерваторії Національної академії наук України академіком Я.С. Яцківим ідеї щодо заснування Київським республіканським планетарієм науково-популярного видання астрономічного змісту.

Упродовж 2006—2009 рр. я видавав малим накладом журнал «НАШЕ НЕБО.observer», а з 2010 р. веду блог «Ми і Всесвіт». Далі науково-популярні матеріали вміщуватиму головно на цьому сайті.

Іван Крячко

Написати електронний лист

Ви маєте змогу написати електронного листа з будь-якого питання щодо астрономії та інтернет-журналу «Наше небо»

Дякуємо за Вашу увагу до «Нашого неба»!

Please publish modules in offcanvas position.