Учените откриха липсващата половина на веществото във Вселената

5
2986

В края на 1990-те години космолозите направиха прогноза за това, колко обикновена материя има във Вселената. Според тези преценки, тази величина е около 5%, а всичкото останало вещество е някаква тайнствена смес от тъмна материя и тъмна енергия. Но когато бе пресметнато всичкото вещество във Вселена, което може да бъде видяно и/или измерено по това време, резултатите бяха твърде странни – оказа се, че не достига твърде много вещество. За да бъдем по-точни можем да кажем, че цялата измерена от космолозите материя бе едва половината от прогнозираните 5%.

Така се появи задачата известна като „Проблемът с липсващите бариони„, който вече повече 20 години няма решение. Трябваше да бъде открито ново космическо явление, което бе направено с помощта на най-новите телескопи, и чак тогава научен екип от Калифорнийския университет да открият това недостигащо вещество.

Произход на проблема

Барионът в класификацията на частиците е един общ термин, който обхваща протоните и неутроните – строителните блокове на всичката стандартна материя във Вселената. Всичко в таблицата на Менделеев и почти всичко, което считаме за вещество, се състои от бариони.

Още в края на 1970-те години космолозите заподозряха, че тъмната материя е все още неизвестен вид материя, който със сигурност би трябвало да съществува, като чрез нея е възможно да бъдат обяснени гравитационните закономерности в космоса. Според тази теза, тъмната материя е по-голямата част от веществото във Вселената, а останалата съвсем неголяма част е барионната материя. Но точно съотношение между тях бе изчислено чак две десетилетия по-късно – през 1997 година, когато трима учени отново от Калифорнийския университет, използваха съотношението между тежките водородни ядра с допълнителен неутрон към нормалния водород. Това съотношение показа, че барионите би трябвало да са около 5% от масата и енергийния бюджет на Вселената.

Но образно казано, мастилото още не бе успяло да изсъхне от техните научни работи, когато други трима космолози вдигнаха тревога. Те взеха предвид основното правило, че материята/енергията не може да бъде нито създадена, нито унищожена и тогава има две възможни обяснения на този проблем: или „излишна“ материя изобщо няма и всичко е просто грешка в пресмятанията, или тази материя е скрита някъде и трябва да бъде открита.

Търсенето

Астрономите от цялото земно кълбо решиха да проверят втория вариант и започнаха усилено да търсят липсващото вещество. Година по-късно първата подсказка дойде именно от теоретиците космолози. Създадените от тях компютърни модели показаха, че по-голямата част от недостигащата материя може да е скрита във вид на гореща плазма с ниска плътност и температура милиони градуси, която пронизва цялата Вселена. Тази плазма бе наречена „топло-гореща междугалактическа среда  (warm-hot intergalactic medium) или накратко WHIM. Нейното съществуване би могло да реши проблема с липсващите бариони. Само че нямаше как този модел да бъде потвърден.

Но през 2001 година се появи едно доказателство в полза на WHIM. Втори екип учени потвърди първоначалното предсказване, че барионите са 5% от Вселената. Те изучиха съвсем слабите колебания на температурата в космическия микровълнов фон – всъщност, топва е останалото след Големия взрив излъчване. По този начин, въпросните 5% бариона бяха потвърдени за втори път и космолозите веднага започнаха още по активно да търсят тази топло-гореща плазма във Вселената. През изтеклите 20 години почти всички по-големи обсерватории на Земята бяха използвани за лов на тази плазма. Имаше няколко лъжливи сигнала, но в края на краищата само един екип учени свърза WHIM с газа около галактиките. Но едно подобно твърде слабо потвърждение бе недостатъчно.

Космическият микровълнов фон

 

Неочакваното решение с бързите радио изблици

Първият пробив в решението на този проблем бе осъществен през 2007 година, когато Дънкан Лоримър, астроном от университета на Западна Вирджиния, откри странен космологичен феномен, който бе наречен Бързи радио изблици (Fast Radio Bursts, FRB). Това са изключително кратки високоенергийни радио импулси. Астрономите и космолозите и до днес не знаят какво създава FRB импулсите, но по всичко личи, че те идват от твърде далечни галактики.

Каквито и да са източниците на FRB, те излъчват тези импулси с продължителност под една хилядна от секундата, като в началото всички дължини на вълните са концентрирани в един тестен лъч. Така че, ако на някой му провърви – въпреки че като се имат предвид огромните енергии на тези радио изблици, по-скоро няма да му провърви, да се окаже наблизо до източника на FRB, то той ще може да улови всички дължини на вълните едновременно.

Компютърно моделиране на разпределението на WHIM

Но когато радиовълните преминават през материята, те леко се забавят. И колкото е по-малка дължината на вълната, толкова е по-голямо забавянето. Този ефект много прилича на ефекта от съпротивлението на въздуха. Големият автомобил усеща много по-голямо челно съпротивление при своето движение в сравнение с един малък автомобил. Това е и причината това различаващо се „съпротивление на въздуха“ да се нарича дисперсия.

Нейното влияние върху радиовълните е невероятно малко, но космосът е огромен. През времето, когато FRB измине милиони и дори милиарди светлинни години преди да достигне Земята, дисперсията забавя сигнала с по-дълга дължина на вълната дотолкова, че той пристига с цяла секунда по-късно в сравнение със сигнала с по-къса дължина на вълната. Именно този ефект се използва за измерване на количеството бариони във Вселената. Чрез измерване на разпространението на различните дължини на вълните в пределите на един FRB, може да се изчисли през какво количество вещество – през колко бариона е преминал този импулс през Вселената по своя път до Земята.

Но тук има един друг проблем. За да може плътността на барионите да се измери с по-голяма точност, е необходимо да се знае откъде е дошъл съответният FRB. Като се знае от коя галактика идва, може да се разбере колко време е пътешествал този импулс преди да стигне при нас. Ако се знае посоката и степента на разсейване по пътя, на теория може да се изчисли количеството вещество, през което той е преминал по пътя си до нашата планета. За съжаление, телескопите от 2007 година не са били достатъчно добри, за да могат с голяма точност да определят от коя галактика е пристигнал съответният FRB. Те са можели единствено да ги засичат.

Техническите иновации

Изминаха 11 години откакто бе локализиран първия FRB. През месец март 2018 година, в рамките на проекта CRAFT започна използването на радиотелескопа Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP), изграден в един глух район на Западна Австралия, за детектирането на FRB. Този нов телескоп се управлява от националната научна агенция на Австралия CSIRO и може да наблюдава огромни участъци от небето – около 60 пъти по-големи от пълната Луна. Този радиотелескоп може едновременно както да регистрира, така и с висока точност да определя откъде е пристигнал (или пристигнали) FRB.

ASKAP засече своя първи FRB един месец след като започна да работи. Веднага след като астрофизиците разбраха откъде са пристигнали тези мощни радиовълни, те веднага използваха телескопа Кек в Хаваите, за да определеят от коя галактика е пристигнал този FRB и колко е отдалечена тази галактика от Земята. И така, първият регистриран от ASKAP радио изблик е пристигнал от галактика DES J214425.25–405400.81, която се намира на разстояние около 4 милиарда светлинни години от нас.

ASKAP

Оказа се, че използваните нови технологии и техниката работят отлично. Към средата на месец юли 2019 година бяха открити още пет подобни събития, което се оказа достатъчно за извършването на много по-точни пресмятания за наличните бариони във Вселената.

За учудване и радост на учените, оказа се, че получените данни идеално съответстват на теорията – количеството стандартна материя във вселената е на практика точно 5%.

Но полученият резултат е само първата стъпка. Засега бе направена оценка само на количеството бариони във Вселената. С помощта само на шест уловени FRB не може да се състави карта на барионите. Но по този начин категорично бе доказано съществуването на WHIM, като засега не е известно разпределението на тази плазма. Предполага се, че това са нишки газ, които свързват галактиките в една обща мрежа – нещо като космическа паяжина. Необходима е регистрацията на около стотина FRB, за да може да бъде изградена точна карта на тази космическа структура.

5 4 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
5 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари