Naukowcy przez wiele lat nie mogli znaleźć fragmentu materii we wszechświecie. Niedawno opublikowane materiały pokazują, gdzie się ukrywa.
Astronomowie w końcu znaleźli ostatnie brakujące fragmenty wszechświata. Ukrywali się od połowy lat 90. iw pewnym momencie badacze zdecydowali się na inwentaryzację całej „zwykłej” materii w kosmosie, w tym gwiazd, planet, gazu - czyli wszystkiego, co składa się z cząstek atomowych. (To nie jest „ciemna materia”, która jest osobną tajemnicą). Naukowcy mieli dość jasne wyobrażenie o tym, jak bardzo powinna być ta materia, opierając się na wnioskach teoretycznych badań dotyczących jej powstania w czasie Wielkiego Wybuchu. Badania kosmicznego mikrofalowego tła (pozostałości światła z Wielkiego Wybuchu) potwierdziły później te wstępne szacunki.
Zebrali wszystko, co mogli zobaczyć: gwiazdy, chmury gazu i tym podobne. To znaczy wszystkie tak zwane bariony. Stanowiły tylko 10% tego, co powinno być. A kiedy naukowcy doszli do wniosku, że zwykła materia stanowi zaledwie 15% całej materii we Wszechświecie (reszta to ciemna materia), do tego czasu zinwentaryzowali tylko 1,5% całej materii we Wszechświecie.
Po przeprowadzeniu serii badań astronomowie niedawno odkryli ostatnie kawałki zwykłej materii we wszechświecie. (Nadal są zdezorientowani, nie wiedząc, z czego składa się ciemna materia.) I chociaż poszukiwania zajęły im bardzo dużo czasu, naukowcy znaleźli ją dokładnie tam, gdzie spodziewali się ją znaleźć: w ogromnych zwojach gorących gazów, które zajmują puste przestrzenie między galaktykami. Mówiąc dokładniej, nazywa się je ciepłym i gorącym środowiskiem międzygalaktycznym (WHIM).
Pierwsze oznaki, że między galaktykami mogą istnieć rozległe obszary zasadniczo niewidocznego gazu, pochodzą z symulacji komputerowych w 1998 roku. „Chcieliśmy zobaczyć, co się dzieje z całym tym gazem we wszechświecie” - powiedział kosmolog Jeremiah Ostriker z Uniwersytetu Princeton, który zbudował jeden taki model wraz ze swoim kolegą Renyue Cenem. Naukowcy ci modelowali ruch gazu we wszechświecie pod wpływem grawitacji, światła, eksplozji supernowych i wszystkich sił poruszających materię w przestrzeni. „Odkryliśmy, że gaz gromadzi się w wykrywalnych włóknach” - powiedział Ostricker.
Ale wtedy nie mogli znaleźć tych wątków.
„Od pierwszych dni modelowania kosmologicznego stało się jasne, że znaczna część materii barionowej istnieje w gorącej, rozproszonej formie poza galaktykami” - powiedział astrofizyk z University of Liverpool. John Moores Ian McCarthy. Astronomowie sądzili, że te gorące bariony odpowiadałyby kosmicznej nadbudowie składającej się z niewidzialnej ciemnej materii, która wypełnia gigantyczne przestrzenie między galaktykami. Siła przyciągania ciemnej materii powinna przyciągać gaz i podgrzewać go do temperatury kilku milionów stopni. Niestety znalezienie gorącego i rozrzedzonego gazu jest niezwykle trudne.
Aby odkryć ukryte wątki, dwa zespoły naukowców niezależnie zaczęły szukać precyzyjnych zniekształceń promieniowania reliktowego (poświata z Wielkiego Wybuchu). Ponieważ światło z wczesnego wszechświata przepływa przez przestrzeń kosmiczną, mogą na nie wpływać regiony, przez które przechodzi. W szczególności elektrony w gorącym, zjonizowanym gazie (który tworzy ciepły-gorący ośrodek międzygalaktyczny) powinny oddziaływać z protonami z promieniowania reliktowego i w taki sposób, aby nadać protonom dodatkową energię. W konsekwencji widmo KMPT powinno zostać zniekształcone.
Film promocyjny:
Niestety, nawet najlepsze mapy KMPT (uzyskane z satelity Planck) nie wykazały takich zniekształceń. Albo nie było gazu, albo uderzenie było zbyt słabe i niezauważalne.
Ale naukowcy z obu zespołów byli zdeterminowani, aby to było widoczne. Wiedzieli z komputerowych modeli wszechświata, w których pojawiało się coraz więcej szczegółów, że gaz powinien rozciągać się między masywnymi galaktykami jak pajęczyna na parapecie. Satelita Planck nigdzie nie był w stanie zobaczyć gazu między parami galaktyk. Dlatego naukowcy wymyślili sposób, aby milion razy wzmocnić słaby sygnał.
Najpierw zeskanowali katalogi znanych galaktyk, próbując znaleźć właściwe pary, to znaczy galaktyki, które są wystarczająco masywne i znajdują się w takiej odległości od siebie, że może pojawić się między nimi dość gęsta sieć gazu. Astrofizycy wrócili następnie do danych satelitarnych, zlokalizowali każdą parę galaktyk i zasadniczo wycięli ten region z przestrzeni za pomocą cyfrowych nożyczek. Z ponad milionem wycinków w dłoniach (tyle miała zespół doktorantki Uniwersytetu w Edynburgu, Anna de Graaff), zaczęli je obracać, powiększać i zmniejszać tak, aby wszystkie pary galaktyk były widoczne w tej samej pozycji. Następnie nałożyli milion par galaktyk Wzajemnie.(Zespół naukowców kierowany przez Hidekiego Tanimurę z Instytutu Astrofizyki Kosmicznej w Orsay zebrał 260 000 par galaktyk.) I nagle pojawiły się pojedyncze włókna, reprezentujące upiorne włókna gorącego rozrzedzonego gazu.
Ta metoda ma swoje wady. Według astronoma Michaela Shulla z University of Colorado Boulder, interpretacja wyników wymaga pewnych założeń dotyczących temperatury i rozkładu gorącego gazu w przestrzeni. A przy nakładających się sygnałach „zawsze istnieje obawa o„ słabe sygnały”, które wynikają z połączenia ogromnej ilości danych. „Jak to czasami bywa w przypadku badań socjologicznych, można uzyskać błędne wyniki, gdy w zestawieniu pojawiają się wartości odstające lub losowe błędy próbkowania, które zniekształcają statystyki”.
Opierając się częściowo na tych rozważaniach, społeczność astronomiczna odmówiła uznania tej kwestii za rozstrzygniętą. Potrzebna była niezależna metoda pomiaru gorących gazów. Pojawił się tego lata.
Efekt latarni
Podczas gdy dwie pierwsze grupy naukowców nakładały na siebie sygnały, trzeci zespół zaczął działać w inny sposób. Naukowcy ci zaczęli obserwować odległy kwazar, nazywając jasny obiekt oddalony o miliardy lat świetlnych, aby wykryć gaz w rzekomo pustej przestrzeni międzygalaktycznej, przez którą przechodzi jego światło. To było jak badanie promienia z odległej latarni morskiej, aby przeanalizować mgłę, która zgromadziła się wokół niego.
Zwykle astronomowie wykonując takie obserwacje szukają światła pochłanianego przez atomowy wodór, ponieważ pierwiastek ten jest najwięcej we wszechświecie. Niestety w tym przypadku ta opcja została wykluczona. Ciepło-gorące medium międzygalaktyczne jest tak żarzące się, że jonizuje wodór, pozbawiając go jedynego elektronu. Rezultatem jest plazma wolnych protonów i elektronów, które w ogóle nie absorbują światła.
Dlatego naukowcy postanowili poszukać innego pierwiastka - tlenu. Tlen w ciepłym i gorącym ośrodku międzygalaktycznym jest znacznie mniejszy niż wodór, ale tlen atomowy ma osiem elektronów, podczas gdy wodór ma jeden. Z powodu ciepła większość elektronów odlatuje, ale nie wszystkie. Ten zespół badawczy, kierowany przez Fabrizio Nicastro z Narodowego Instytutu Astrofizyki w Rzymie, śledził światło pochłonięte przez tlen, który utracił sześć z ośmiu elektronów. Odkryli dwa regiony gorącego gazu międzygalaktycznego. „Tlen daje wskazówkę, która wskazuje na obecność znacznie większej ilości wodoru i helu” - powiedział Schull, który jest członkiem zespołu Nikastro. Następnie naukowcy porównali ilość gazu znalezionego między Ziemią a kwazarem z całym wszechświatem. Wynik pokazał, że znaleźli brakujące 30%.
Liczby te są również dość zgodne z wnioskami z badania CMB. „Nasze zespoły przyjrzały się różnym elementom tej samej układanki i doszły do tego samego wniosku, co daje nam pewność, biorąc pod uwagę różnicę w metodach badawczych” - powiedział astronom Mike Boylan-Kolchin z University of Texas w Austin.
Shull powiedział, że następnym krokiem powinno być obserwowanie większej liczby kwazarów za pomocą nowej generacji teleskopów rentgenowskich i ultrafioletowych o wyższej czułości. „Kwazar, który obserwowaliśmy, był najlepszą i najjaśniejszą latarnią morską, jaką udało nam się znaleźć. Inne będą mniej jasne, a obserwacje będą trwały dłużej”- powiedział. Ale na dziś wniosek jest jasny. „Dochodzimy do wniosku, że znaleziono brakującą materię barionową” - napisali naukowcy.
Katya Moskvich (KATIA MOSKVITCH)