Ученые наконец смогли найти ту часть обычной материи, которая не проявляет себя как звезды и туманности. Оказалось, что она спрятана в очень разреженном газе и пыли, окружающей галактики. Это — не темная материя, но новое открытие многое объясняет относительно нее.
Поиски скрытой материи
Когда астрономы подсчитали материю, которая составляет звезды, галактики и газ, то есть все, что есть во Вселенной сегодня, то обнаружили, что ее е хватает. Во время Большого взрыва 13,6 миллиардов лет назад На самом деле, более половины нормальной материи из числа тех 15% вещества Вселенной, которые не являются темной материей, астрономы до сих пор не видели.
Однако похоже, что новые исследования таки обнаружили эту недостающую материю в виде очень диффузного и потому обычно невидимого ионизированного водорода, который образует гало вокруг галактик. Его оказалось гораздо больше, чем ученые считали до сих пор.
Полученные данные не только устраняют противоречия между астрономическими наблюдениями и лучшей, проверенной моделью эволюции Вселенной со времен Большого взрыва, но и указывают на то, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик являются более активными, чем считалось ранее, и фонтанируют газом на расстояние по крайней мере в 5 раз большее, чем ожидалось.
«Мы считаем, что когда мы отойдем дальше от галактики, мы восстановим весь исчезнувший газ», – сказала Боряна Гадзийская, докторантка в Калифорнийском университете в Беркли и первый автор статьи, в которой сообщается о результатах исследования. Чтобы быть более точными, мы должны провести тщательный анализ с помощью симуляций, чего мы еще не делали. Мы хотим сделать тщательную работу.»
Результаты исследования, соавторами которого являются 75 ученых из разных стран мира, были представлены на недавних научных конференциях, размещены в виде препринта на arXiv и проходят рецензирование в журнале Physical Review Letters. Гадзийская и Ферраро работают в Беркли-Центре космологической физики на физическом факультете Калифорнийского университета в Беркли, а также в лаборатории Беркли.
Как распределен ионизированный газ во Вселенной?
Загадочная темная материя составляет около 84% всего вещества во Вселенной, остальное – это обычная материя. Однако лишь около 7% нормальной материи находится в форме звезд, а остальное – в форме невидимого газообразного водорода, в основном ионизированного, в галактиках и нитях, которые соединяют галактики в своеобразную космическую сеть.
Ионизированный газ и связанные с ним электроны, нанизанные на эту сеть нитей, называют тепло-горячей межгалактической средой, которая является слишком холодной и слишком рассеянной, чтобы ее можно было увидеть с помощью обычных методов, имеющихся в распоряжении астрономов, и поэтому до сих пор оставалась неуловимой.
В новой работе исследователи оценили распределение ионизированного водорода вокруг галактик, составив изображения примерно 7 миллионов галактик — все на расстоянии около 8 миллиардов световых лет от Земли и, учитывая незначительное затмение или осветление космического микроволнового фона, вызванное рассеиванием излучения электронами в ионизированном газе, так называемым кинематическим эффектом Суняева-Зельдовича.
Создание 3D-карты Вселенной
Использованные изображения галактик были собраны Спектроскопическим инструментом темной энергии (DESI) на 4-метровом телескопе Мейолла в Национальной обсерватории Китт Пик в Тусоне, штат Аризона. Инструмент, созданный группой исследователей со штаб-квартирой в лаборатории Беркли, исследует десятки миллионов галактик и квазаров для построения 3D-карты Вселенной, охватывающей 11 миллиардов световых лет от Земли, чтобы измерить влияние темной энергии на расширение Вселенной.
Измерение космического микроволнового фона (КМФ) вокруг этих галактик было проведено с помощью Атакамского космологического телескопа (ACT) в Чили, который осуществил самые точные на сегодняшний день измерения КМФ до его вывода из эксплуатации в 2022 году.
Обратная связь галактик
Астрономы обычно считали, что массивные черные дыры в центрах галактик выбрасывают газ струями материи только в годы своего формирования, когда центральная черная дыра поглощает газ и звезды и производит много излучения. Это выделяет их как то, что астрономы называют активными галактическими ядрами (AGN), или квазарами.
Если, как предполагает новое исследование, гало ионизированного водорода вокруг галактик является более рассеянным, но и более обширным, чем считалось, это означает, что центральные черные дыры могут становиться активными и в другие периоды своей жизни.
«Одна из проблем, которую мы не понимаем, касается активных галактических ядер, и одна из гипотез заключается в том, что они время от времени включаются и выключаются в так называемом рабочем цикле», — сказала Гадзийская.
Астрономы называют вытеснение газа и его последующее падение обратно в галактический диск обратной связью, которая регулирует образование новых звезд по всей галактике. Ферраро, Шаан и их коллеги сообщали о намеках на более расширенную обратную связь в предыдущей работе в 2020 году, когда Шаан был докторантом в Лаборатории Беркли.
Но новая работа охватывает больше галактик и дает более точные измерения. Последующая работа Рида Гуашалла подтвердила выводы с помощью спектроскопического образца DESI и смогла изучить газ в большем количестве соседних галактик, подчеркнув, что газ не распределен равномерно вокруг них, а следует за «космическими нитями», которые пронизывают Вселенную.
Гадзийская отметила, что современные симуляции эволюции галактик должны включать эту более мощную обратную связь в свои модели. Некоторые новые модели уже делают это, чтобы создать более сильные симуляции, которые лучше согласуются с новыми данными.
Обнаружение отсутствующей материи, или барионов, во Вселенной также имеет значение для других аспектов космической эволюции.
Космологические модели Вселенной
С одной стороны, вытеснение газа из ядер этих массивных галактик ставит под сомнение предположение, что газ следует за темной материей, говорит Гадзийская. Недооценка этого вытеснения газа может внести несогласованности в космологические модели, тогда как новые результаты могут на самом деле решить некоторые вопросы о том, насколько комковатой является Вселенная.
«Существует огромное количество людей, заинтересованных в использовании наших измерений для проведения очень тщательного анализа, который включает этот газ», – сказала она. «Люди в астрономии очень заинтересованы в нем для понимания формирования и эволюции галактик».
По словам Гадзийской, метод, который использовала команда, кинематический эффект Суняева-Зельдовича, также может быть использован для исследования ранней Вселенной. Это может дать представление о крупномасштабной структуре Вселенной и законах физики в ранней Вселенной, а также позволить ученым проверить гравитацию и общую теорию относительности.
По материалам: phys.org
