Космосът отказва да бъде празен: в мъглата му са открити трилиони тонове материя, за които сме забравили

Къде са се крили барионите в продължение на 20 години?

Астрономи от различни страни успяха да направят това, което оставаше загадка в продължение на десетилетия: да открият къде всъщност е отишла по-голямата част от познатата ни материя. Оказа се, че около три четвърти от барионите – частиците, от които се състоят атомните ядра – не са изчезнали, а са разпръснати в нагретия и с ниска плътност газ, който запълва пространството между галактиките.

Изследването е проведено от учени от Центъра по астрофизика в Харвард и Смитсоновия институт (CfA) в сътрудничество с Калифорнийския технологичен институт (Caltech). Научната работа е публикувана в списание Nature Astronomy .

Проблемът с липсващата материя безпокои учените повече от 20 години. Според теоретичните модели и данните от ранната Вселена е известно колко бариони би трябвало да са останали след Големия взрив. В наблюдавания космос обаче е открита само половината от очаквания обем. Останалата част вероятно е била под формата на топъл газ с ниска плътност, разпръснат между галактиките, но тази материя е била твърде тънка и гореща, за да бъде засечена с увереност от съществуващите телескопи.

Преди това астрономите се опитваха да я открият с рентгенови и ултравиолетови лъчи, като анализираха светлината от далечните квазари. Но тези методи дадоха само косвени подсказки. Дълго време местоположението на основната част от материята оставаше неизвестно.

Решението дойде от бързите радиоизбухвания (FRB) – кратки, но мощни радиосигнали от далечните галактики. Учените вече знаеха, че FRB могат да се използват за оценка на количеството материя, през което преминават, но доскоро не можеха да свържат тези данни с конкретни области от пространството.

Те анализираха 60 нови радиоизбухвания, записани на различни разстояния от Земята, вариращи от 11,74 милиона до 9,1 милиарда светлинни години. Най-близкото е FRB20200120E от галактиката M81, а най-далечното е FRB20230521B.

FRB сигналите се забавят и изкривяват, когато преминават през йонизиран газ, така че степента на това забавяне може да се използва за оценка на това колко материя има по протежение на лъча. Това ни позволява буквално да „претеглим“ пространството между източника на взрива и наблюдателя.

Анализът стига до заключението, че около 76% от барионната материя се намира в междугалактичната среда – гигантските разредени структури, които свързват галактиките и образуват така наречената космическа мрежа. Около 15% се съдържат в близките до галактическите ореоли, а само малка част се намира в звездите и студения газ в самите галактики.

Това разпределение е в добро съответствие с прогнозите на сложните космологични симулации, но досега не бе потвърдено пряко.

За събирането на данните е използван радиотелескопът DSA-110 (Deep Synoptic Array), управляван от Калтех. Той се превърна в основен наблюдателен инструмент за проекта. Съавторът на статията, професорът по астрономия Викрам Рави, е и един от ръководителите на тази обсерватория.

Разгадаването на местоположението на барионите е ключово не само за цялостната картина. То ни помага да разберем как се формират и развиват галактиките, как гравитацията сглобява материята в звездни структури и как радиацията се разпространява във Вселената.

Изследователите също така стигат до заключението, че обратните процеси играят важна роля в преразпределението на материята: гравитацията привлича барионите вътре в галактиките, но експлозиите на свръхновите и дейността на свръхмасивните черни дупки могат да ги изхвърлят обратно в междугалактичната среда. Механизмът наподобява терморегулация: ако концентрацията стане твърде висока, самата система намалява температурата и плътността.

Сега, когато основната част от материята е локализирана, започва следващият етап – изграждане на карта на Вселената с още по-голяма точност. През следващите години ще влязат в експлоатация нови обсерватории: DSA-2000 в САЩ и CHORD в Канада. Те ще могат да записват хиляди FRB всяка година, систематично да сканират Космоса и да го пресъздават на компютър в цялата му прелест.