В конце 1990-х годов космологи сделали прогноз о том, сколько обычной материи должно быть во Вселенной. Приблизительно 5 процентов, по их оценкам, должны быть заполнено видимым веществом, а остальное - смесь темной материи и темной энергии. Но когда космологи подсчитали все, что они могли увидеть или измерить в то время, они потерпели неудачу.
Сумма всей обычной материи, которую измерили космологи, составила всего лишь половину от 5% того, что должно было быть во Вселенной.
Это известно как «проблема с отсутствующим барионом», и более 20 лет такие космологи, как мы, безуспешно пытались ответить этот вопрос.
Потребовалось открытие нового небесного явления и совершенно новой технологии телескопа и в начале этого года наша команда, наконец, нашла недостающее вещество.
Происхождение проблемы
Барион - это классификация типов частиц - своего рода зонтичный термин, который охватывает протоны и нейтроны, строительные блоки всей обычной материи во Вселенной. Все в периодической таблице и почти все, что вы считаете «материалом», сделано из барионов.
С конца 1970-х годов космологи подозревали, что темная материя - еще неизвестный тип материи, который должен существовать для объяснения гравитационных закономерностей в космосе, - составляет большую часть материи Вселенной, а остальное - барионная материя, но астрономы не знают точных соотношений. В 1997 году три ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали соотношение тяжелых водородных ядер - водорода с дополнительным нейтроном - к нормальному водороду, чтобы оценить, что барионы должны составлять около 5 процентов от массы-энергии бюджета Вселенной.
Тем не менее, пока чернила на публикации еще высохли, другая тройка космологов подняла ярко-красный флаг. Они сообщили, что прямая мера барионов в нашей нынешней Вселенной - определенная путем переписи звезд, галактик и газа внутри и вокруг них - составила всего половину прогнозируемых 5 процентов.
Это вызвало проблему с отсутствующим барионом. При условии, что закон природы считает, что материя не может быть ни создана, ни уничтожена, было два возможных объяснения: либо материи не существовало, и математика была неправильной, либо материя где-то скрывалась.
Неудачный поиск
Астрономы по всему миру взялись за поиск, и первая подсказка пришла через год от теоретических космологов. Их компьютерное моделирование предсказывало, что большая часть пропавшего вещества скрывалась в горячей плазме с низкой плотностью в миллион градусов, которая пронизывала Вселенную. Это было названо «теплой горячей межгалактической средой» и прозвано «WHIM». WHIM, если бы он существовал, решил бы проблему с отсутствующим барионом, но в то время не было никакого способа подтвердить его существование.
В 2001 году появилось еще одно доказательство в пользу WHIM. Вторая группа подтвердила первоначальный прогноз, согласно которому барионы составляют 5 процентов от Вселенной, взглянув на крошечные флуктуации температуры на космическом микроволновом фоне Вселенной - по существу, остатки излучения Большого взрыва. С двумя отдельными подтверждениями этого числа математика должна была быть правильной, и WHIM, казалось, был ответом. Теперь космологам просто нужно было найти эту невидимую плазму.
За последние 20 лет мы и многие другие команды космологов и астрономов привлекли к охоте почти все величайшие обсерватории Земли. Были некоторые ложные сообщения и предварительные обнаружения теплого горячего газа, но одна из наших команд в конечном итоге не связала их с газом вокруг галактик. Если существовал WHIM, он был слишком слабым и рассеянным, чтобы его можно было обнаружить.
Неожиданное решение в быстрых радиовсплесках
В 2007 году появилась совершенно неожиданная возможность. Дункан Лоример, астроном из Университета Западной Вирджинии, сообщил о счастливом открытии космологического явления, известного как быстрые радиовсплески (FRB). FRB - чрезвычайно короткие, очень энергичные импульсы радиоизлучений. Космологи и астрономы до сих пор не знают, что их создает, но, похоже, они пришли из очень далеких галактик.
Когда эти вспышки излучения проходят через Вселенную и проходят через газы и теоретическое WHIM, они подвергаются так называемой дисперсии.
Первоначальная загадочная причина этих FRB заключается в том, что они длятся менее одной тысячной секунды, и все длины волн начинаются в тесном сгустке. Если кому-то повезло оказаться рядом с тем местом, где был создан FRB, все длины волн ударили бы одновременно.
Но когда радиоволны проходят сквозь вещество, они на короткое время замедляются. Чем длиннее длина волны, тем больше радиоволна «чувствует» материю. Думайте об этом как сопротивление ветра. Автомобиль большего размера ощущает большее сопротивление ветра, чем автомобиль меньшего размера.
Эффект «сопротивления ветра» на радиоволнах невероятно мал, но пространство велико. К тому времени, когда FRB прошел миллионы или миллиарды световых лет, чтобы достичь Земли, дисперсия замедлила более длинные волны настолько, что они достигают почти на секунду позже, чем более короткие волны.
В этом и заключается потенциал FRB для взвешивания барионов Вселенной - возможность, которую мы сразу поняли. Измеряя разброс различных длин волн в одном FRB, мы могли точно рассчитать, сколько вещества - сколько барионов - радиоволны прошли на своем пути к Земле.
В этот момент мы были очень близки, но нам нужна была последняя информация. Чтобы точно измерить плотность барионов, нам нужно было знать, откуда на небе появились FRB. Если бы мы знали исходную галактику, мы бы знали, как далеко продвинулись радиоволны. Учитывая это и степень рассеивания, которое они испытали, возможно, мы могли бы рассчитать, сколько вещества они прошли на пути к Земле?
К сожалению, телескопы в 2007 году не были достаточно хороши, чтобы точно определить, из какой именно галактики - и, следовательно, как далеко - пришел FRB.
Мы знали, какая информация позволит нам решить проблему, теперь нам осталось только ждать, пока технология разовьется достаточно, чтобы предоставить нам эти данные.
Технические инновации
Прошло 11 лет, пока мы не смогли разместить или локализовать наш первый FRB. В августе 2018 года наш совместный проект под названием CRAFT начал использовать радиотелескоп Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) в глубинке Западной Австралии для поиска FRB. Этот новый телескоп может наблюдать огромные участки неба, примерно в 60 раз превышающие размер полной Луны, и он может одновременно обнаруживать FRB и точно определять, откуда на небе они происходят.
ASKAP захватили свой первый FRB месяц спустя. Как только мы узнали точную часть неба, откуда пришли радиоволны, мы быстро использовали телескоп Keck на Гавайях, чтобы определить, из какой галактики пришла FRB и как далеко она была. Первый FRB, который мы обнаружили, пришел из галактики DES J214425.25–405400.81, которая находится на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от Земли, если вам интересно.
Технология и техника работали. Мы измерили дисперсию из FRB и знали, откуда она взялась. Но нам нужно было поймать еще несколько из них, чтобы получить статистически значимое количество барионов. Поэтому мы ждали и надеялись, что космос отправит нам еще несколько FRB.
К середине июля 2019 года мы обнаружили еще пять событий - достаточно, чтобы выполнить первый поиск пропавшего вопроса. Используя дисперсионные меры этих шести FRB, мы смогли сделать грубый расчет того, сколько вещества прошли радиоволны, прежде чем достичь Земли.
Мы были поражены удивлением и уверенностью в тот момент, когда увидели, что данные попадают прямо на кривую, предсказанную 5-процентной оценкой. Мы обнаружили полностью отсутствующие барионы, разгадав эту космологическую загадку и положив конец двум десятилетиям поиска.
Этот результат, однако, является только первым шагом. Мы смогли оценить количество барионов, но, имея только шесть точек данных, мы пока не можем составить исчерпывающую карту отсутствующих барионов. У нас есть доказательства того, что WHIM, вероятно, существует, и мы подтвердили, сколько их существует, но мы не знаем точно, как они распределяются. Считается, что он является частью обширной нитевидной газовой сети, соединяющей галактики, называемой «космическая сеть», но с помощью около 100 быстрых радиовсплесков космологи могли бы начать составлять точную карту этой сети.
Дж. Ксавье Прочаска - профессор астрономии и астрофизики в Университете Калифорнии, Санта-Круз. Жан-Пьер Маккюарт - адъюнкт-профессор астрофизики в университете Кертин. Эта статья рассказана в виде их разговора.