Космос отказывается быть пустым: в его тумане нашлись триллионы тонн вещества, о котором мы забыли
NewsMakerГде скрывались барионы целых 20 лет?
Астрономам из разных стран удалось сделать то, что десятилетиями оставалось загадкой: обнаружить, куда в действительности делась большая часть привычной материи. Оказалось, что примерно три четверти барионов — частиц, из которых состоят атомные ядра, — не исчезли, а рассеяны в нагретом и малоплотном газе, заполняющем пространство между галактиками.
Исследование было выполнено учёными из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (CfA) совместно с Калифорнийским технологическим институтом (Caltech). Работа опубликована в журнале Nature Astronomy .
Проблема недостающей материи беспокоила учёных на протяжении более 20 лет. По теоретическим моделям и данным ранней Вселенной известно, сколько барионов должно было остаться после Большого взрыва. Однако в наблюдаемом космосе обнаруживалась лишь половина ожидаемого объёма. Оставшаяся часть, предположительно, находилась в виде тёплого и малоплотного газа, рассредоточенного между галактиками, но это вещество было слишком тонким и горячим, чтобы его можно было уверенно засечь существующими телескопами.
Ранее астрономы пытались зафиксировать его с помощью рентгена и ультрафиолета, анализируя свет далёких квазаров . Но эти методы давали лишь косвенные намёки. Долгое время местоположение основной доли вещества оставалось неизвестным.
Решение пришло благодаря быстрым радиовсплескам (Fast Radio Bursts, FRBs) — коротким, но ярким сигналам в радиодиапазоне, исходящим из отдалённых галактик. Учёные уже знали, что FRB могут использоваться для оценки количества материи, через которую они проходят, но до последнего времени не могли связать эти данные с конкретными участками пространства.
Было проанализировано 60 радиовсплесков, зарегистрированных на разных расстояниях от Земли — от 11,74 миллиона до 9,1 миллиарда световых лет. Ближайшим оказался FRB20200120E из галактики M81, а самым удалённым стал FRB20230521B.
Сигналы FRB замедляются и искажаются при прохождении через ионизированный газ, поэтому по степени этого замедления можно оценить, сколько вещества находится вдоль луча. Это позволяет буквально «взвешивать» пространство между источником всплеска и наблюдателем.
В результате анализа сделали вывод: около 76% барионной материи находится в межгалактической среде — гигантских разреженных структурах, соединяющих галактики и формирующих так называемую космическую паутину. Примерно 15% содержится в окологалактических гало, и лишь малая часть приходится на звёзды и холодный газ внутри самих галактик.
Это распределение полностью совпадает с предсказаниями сложных космологических симуляций, но до настоящего момента его не удавалось подтвердить напрямую.
Для сбора данных использовался радиотелескоп DSA-110 (Deep Synoptic Array), которым управляют в Caltech. Он стал основным инструментом наблюдения в рамках проекта. Соавтор работы, профессор астрономии Викрам Рави, также является одним из руководителей этой обсерватории.
Разгадка расположения барионов играет ключевую роль не только для общей картины. Она помогает понять, как формируются и эволюционируют галактики, каким образом гравитация собирает вещество в звёздные структуры и как излучение путешествует через Вселенную.
Исследователи также пришли к выводу, что значительную роль в перераспределении вещества играют обратные процессы: гравитация стягивает барионы внутрь галактик, но взрывы сверхновых и активность сверхмассивных чёрных дыр могут выбрасывать их обратно в межгалактическую среду. Механизм напоминает терморегуляцию: если концентрация становится слишком высокой, система сама снижает температуру и плотность.
Теперь, когда основная масса вещества локализована, начинается следующий этап — построение карты Вселенной с ещё большей точностью. В ближайшие годы вступят в строй новые обсерватории: DSA-2000 в США и CHORD в Канаде. Они смогут фиксировать тысячи FRB ежегодно, систематически сканировать космос и воссоздавать его на компьютере во всей красе.
Исследование было выполнено учёными из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (CfA) совместно с Калифорнийским технологическим институтом (Caltech). Работа опубликована в журнале Nature Astronomy .
Проблема недостающей материи беспокоила учёных на протяжении более 20 лет. По теоретическим моделям и данным ранней Вселенной известно, сколько барионов должно было остаться после Большого взрыва. Однако в наблюдаемом космосе обнаруживалась лишь половина ожидаемого объёма. Оставшаяся часть, предположительно, находилась в виде тёплого и малоплотного газа, рассредоточенного между галактиками, но это вещество было слишком тонким и горячим, чтобы его можно было уверенно засечь существующими телескопами.
Ранее астрономы пытались зафиксировать его с помощью рентгена и ультрафиолета, анализируя свет далёких квазаров . Но эти методы давали лишь косвенные намёки. Долгое время местоположение основной доли вещества оставалось неизвестным.
Решение пришло благодаря быстрым радиовсплескам (Fast Radio Bursts, FRBs) — коротким, но ярким сигналам в радиодиапазоне, исходящим из отдалённых галактик. Учёные уже знали, что FRB могут использоваться для оценки количества материи, через которую они проходят, но до последнего времени не могли связать эти данные с конкретными участками пространства.
Было проанализировано 60 радиовсплесков, зарегистрированных на разных расстояниях от Земли — от 11,74 миллиона до 9,1 миллиарда световых лет. Ближайшим оказался FRB20200120E из галактики M81, а самым удалённым стал FRB20230521B.
Сигналы FRB замедляются и искажаются при прохождении через ионизированный газ, поэтому по степени этого замедления можно оценить, сколько вещества находится вдоль луча. Это позволяет буквально «взвешивать» пространство между источником всплеска и наблюдателем.
В результате анализа сделали вывод: около 76% барионной материи находится в межгалактической среде — гигантских разреженных структурах, соединяющих галактики и формирующих так называемую космическую паутину. Примерно 15% содержится в окологалактических гало, и лишь малая часть приходится на звёзды и холодный газ внутри самих галактик.
Это распределение полностью совпадает с предсказаниями сложных космологических симуляций, но до настоящего момента его не удавалось подтвердить напрямую.
Для сбора данных использовался радиотелескоп DSA-110 (Deep Synoptic Array), которым управляют в Caltech. Он стал основным инструментом наблюдения в рамках проекта. Соавтор работы, профессор астрономии Викрам Рави, также является одним из руководителей этой обсерватории.
Разгадка расположения барионов играет ключевую роль не только для общей картины. Она помогает понять, как формируются и эволюционируют галактики, каким образом гравитация собирает вещество в звёздные структуры и как излучение путешествует через Вселенную.
Исследователи также пришли к выводу, что значительную роль в перераспределении вещества играют обратные процессы: гравитация стягивает барионы внутрь галактик, но взрывы сверхновых и активность сверхмассивных чёрных дыр могут выбрасывать их обратно в межгалактическую среду. Механизм напоминает терморегуляцию: если концентрация становится слишком высокой, система сама снижает температуру и плотность.
Теперь, когда основная масса вещества локализована, начинается следующий этап — построение карты Вселенной с ещё большей точностью. В ближайшие годы вступят в строй новые обсерватории: DSA-2000 в США и CHORD в Канаде. Они смогут фиксировать тысячи FRB ежегодно, систематически сканировать космос и воссоздавать его на компьютере во всей красе.