Вчені нарешті змогли знайти ту частину звичайної матерії, яка не проявляє себе як зорі та туманності. Виявилося, що вона захована у дуже розрідженому газі та пилу, що оточує галактики. Це — не темна матерія, але нове відриття багато чого пояснює щодо неї.
Пошуки прихованої матерії
Коли астрономи підрахували матерію, яка складає зорі, галактики та газ, тобто усе, що є у Всесвіті сьогодні, то виявили, що її е вистачає. Під час Великого вибуху 13,6 мільярдів років тому. Насправді, більше половини нормальної матерії з числа тих 15% речовини Всесвіту, що не є темною матерією астрономи досі не бачили.
Однак схоже, що нові дослідження таки виявили цю відсутню матерію у вигляді дуже дифузного і тому зазвичай невидимого іонізованого водню, який утворює гало навколо галактик. Його виявилося набагато більше, ніж вчені вважали досі.
Отримані дані не лише усувають протиріччя між астрономічними спостереженнями та найкращою, перевіреною моделлю еволюції Всесвіту з часів Великого вибуху, але й вказують на те, що надмасивні чорні діри в центрах галактик є більш активними, ніж вважалося раніше, і фонтанують газом на відстань принаймні у 5 разів більшу, ніж очікувалося.
«Ми вважаємо, що коли ми відійдемо далі від галактики, ми відновимо весь зниклий газ», — сказала Боряна Гадзійська, докторантка в Каліфорнійському університеті в Берклі і перший автор статті, в якій повідомляється про результати дослідження. Щоб бути більш точними, ми повинні провести ретельний аналіз за допомогою симуляцій, чого ми ще не робили. Ми хочемо зробити ретельну роботу.»
Результати дослідження, співавторами якого є 75 вчених з різних країн світу, були представлені на нещодавніх наукових конференціях, розміщені у вигляді препринту на arXiv і проходять рецензування в журналі Physical Review Letters. Гадзійська та Ферраро працюють у Берклі-Центрі космологічної фізики на фізичному факультеті Каліфорнійського університету в Берклі, а також у лабораторії Берклі.
Як розподілено іонізований газ у Всесвіті?
Загадкова темна матерія становить близько 84% усієї речовини у Всесвіті, решта — це звичайна матерія. Проте лише близько 7% нормальної матерії знаходиться у формі зірок, а решта — у формі невидимого газоподібного водню, здебільшого іонізованого, в галактиках і нитках, які з’єднують галактики у своєрідну космічну мережу.
Іонізований газ і пов’язані з ним електрони, нанизані на цю мережу ниток, називають тепло-гарячим міжгалактичним середовищем, яке є надто холодним і надто розсіяним, щоб його можна було побачити за допомогою звичайних методів, які є в розпорядженні астрономів, і тому дотепер залишалося невловимим.
У новій роботі дослідники оцінили розподіл іонізованого водню навколо галактик, склавши зображення приблизно 7 мільйонів галактик — усі на відстані близько 8 мільярдів світлових років від Землі і, врахувавши незначне затемнення або освітлення космічного мікрохвильового фону, спричинене розсіюванням випромінювання електронами в іонізованому газі, так званим кінематичним ефектом Суняєва-Зельдовича.
Створення 3D-карти Всесвіту
Використані зображення галактик були зібрані Спектроскопічним інструментом темної енергії (DESI) на 4-метровому телескопі Мейолла в Національній обсерваторії Кітт Пік в Тусоні, штат Арізона. Інструмент, створений групою дослідників зі штаб-квартирою в лабораторії Берклі, досліджує десятки мільйонів галактик і квазарів для побудови 3D-карти Всесвіту, що охоплює 11 мільярдів світлових років від Землі, щоб виміряти вплив темної енергії на розширення Всесвіту.
Вимірювання космічного мікрохвильового фону (КМФ) навколо цих галактик було проведено за допомогою Атакамського космологічного телескопа (ACT) в Чилі, який здійснив найточніші на сьогоднішній день вимірювання КМФ до його виведення з експлуатації в 2022 році.
Зворотний зв’язок галактик
Астрономи зазвичай вважали, що масивні чорні діри в центрах галактик викидають газ струменями матерії лише в роки свого формування, коли центральна чорна діра поглинає газ і зорі та виробляє багато випромінювання. Це виділяє їх як те, що астрономи називають активними галактичними ядрами (AGN), або квазарами.
Якщо, як припускає нове дослідження, гало іонізованого водню навколо галактик є більш розсіяним, але й більш обширним, ніж вважалося, це означає, що центральні чорні діри можуть ставати активними і в інші періоди свого життя.
«Одна з проблем, яку ми не розуміємо, стосується активних галактичних ядер, і одна з гіпотез полягає в тому, що вони час від часу вмикаються і вимикаються в так званому робочому циклі», – сказала Гадзійська.
Астрономи називають витіснення газу і його подальше падіння назад в галактичний диск зворотним зв’язком, який регулює утворення нових зірок по всій галактиці. Ферраро, Шаан та їхні колеги повідомляли про натяки на більш розширений зворотний зв’язок у попередній роботі в 2020 році, коли Шаан був докторантом в Лабораторії Берклі.
Але нова робота охоплює більше галактик і дає точніші вимірювання. Подальша робота Ріда Гуашалла підтвердила висновки за допомогою спектроскопічного зразка DESI і змогла вивчити газ у більшій кількості сусідніх галактик, підкресливши, що газ не розподілений рівномірно навколо них, а слідує за «космічними нитками», які пронизують всесвіт.
Гадзійська зазначила, що сучасні симуляції еволюції галактик повинні включати цей більш потужний зворотній зв’язок у свої моделі. Деякі нові моделі вже роблять це, щоб створити сильніші симуляції, які краще узгоджуються з новими даними.
Виявлення відсутньої матерії, або баріонів, у Всесвіті також має значення для інших аспектів космічної еволюції.
Космологічні моделі Всесвіту
З одного боку, витіснення газу з ядер цих масивних галактик ставить під сумнів припущення, що газ слідує за темною матерією, каже Гадзійська. Недооцінка цього витіснення газу може внести неузгодженості в космологічні моделі, тоді як нові результати можуть насправді вирішити деякі питання про те, наскільки грудкуватим є Всесвіт.
«Існує величезна кількість людей, зацікавлених у використанні наших вимірювань для проведення дуже ретельного аналізу, який включає цей газ», – сказала вона. «Люди в астрономії дуже зацікавлені в ньому для розуміння формування та еволюції галактик».
За словами Гадзійської, метод, який використовувала команда, кінематичний ефект Суняєва-Зельдовича, також може бути використаний для дослідження раннього Всесвіту. Це може дати уявлення про великомасштабну структуру Всесвіту і закони фізики в ранньому Всесвіті, а також дозволити вченим перевірити гравітацію і загальну теорію відносності.
За матеріалами: phys.org
