Недостающая обычная материя Вселенной найдена: как ученые решили 30-летнюю загадку

Две загадки космоса сошлись воедино, чтобы решить многолетнюю головоломку. Ученые наконец нашли недостающую «обычную» материю Вселенной — ту, что состоит из протонов, нейтронов и электронов, но долгое время ускользала от наблюдений. Открытие, основанное на данных быстрых радиовсплесков (FRB) и моделировании космической паутины, закрывает брешь в стандартной космологической модели. Это не темная материя, а обычное вещество, которое должно находиться в межгалактическом пространстве. Согласно теории, около половины барионов (частиц обычной материи) рассеяно в виде горячего разреженного газа между галактиками. Однако до сих пор этот газ было невозможно обнаружить напрямую из-за его низкой плотности и высокой температуры. Теперь, благодаря новому методу, астрономы подтвердили: недостающая материя существует именно там, где предсказывала стандартная модель Большого взрыва.

Как нашли недостающую материю

Ключом к разгадке стали быстрые радиовсплески — мощные вспышки радиоволн длительностью в миллисекунды, происходящие в далеких галактиках. Когда такой сигнал проходит через межгалактический газ, его дисперсия (задержка частот) меняется. Измеряя дисперсию нескольких FRB, астрономы смогли оценить количество электронов на пути луча, а значит — плотность барионов. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда ученых использовала данные телескопов CHIME и ASKAP, а также моделирование космической паутины — структуры из нитей газа, соединяющих галактики. Они проанализировали 15 FRB и сопоставили их с моделями распределения материи. Результат: измеренная плотность барионов совпала с предсказаниями стандартной модели. Недостающая материя найдена.

Как быстрые радиовсплески помогают найти материю?

Когда радиоволны проходят через ионизированный газ, их скорость зависит от частоты: низкие частоты запаздывают. Эта задержка, называемая мерой дисперсии (DM), прямо пропорциональна количеству электронов на пути. Зная расстояние до источника FRB (по красному смещению), можно вычислить среднюю плотность электронов, а затем — плотность барионов. Однако на DM влияет и газ в самой галактике-источнике и в Млечном Пути. Ученые смоделировали эти вклады и вычли их, оставив только сигнал от межгалактической среды. Именно этот тонкий анализ позволил впервые точно измерить плотность барионов в космической паутине.

Предыстория и контекст

Проблема «недостающих барионов» известна с 1990-х годов. Наблюдения показывали, что в звездах, галактиках и межзвездном газе находится лишь половина от предсказанного количества обычной материи. Вторая половина, как предполагалось, рассеяна в межгалактической среде (IGM). Однако ее чрезвычайно низкая плотность (менее одного атома на кубический метр) делала обнаружение невозможным. Быстрые радиовсплески — относительно новый инструмент. Первый FRB открыли в 2007 году, и только в 2016 году ученые доказали, что они приходят из других галактик. С тех пор телескопы, такие как канадский CHIME, обнаружили сотни всплесков. Именно они позволили «прощупать» разреженный газ на огромных расстояниях.

Технические подробности и методология

Исследователи из Университета Торонто и Калифорнийского университета в Санта-Крузе использовали 15 FRB с известными красными смещениями от 0.1 до 0.5. Каждый всплеск был зарегистрирован телескопами CHIME (Канада) и ASKAP (Австралия). Для каждого FRB они измерили DM, а затем применили модель космической паутины, чтобы разделить вклад IGM и галактик. Ключевое новшество — использование симуляций космической паутины, которые предсказывают, как газ распределен между галактиками. Это позволило учесть, что не все линии взгляда одинаковы: некоторые проходят через плотные нити, другие — через пустоты. Усреднив данные по 15 FRB, команда получила значение плотности барионов, равное 0.049 ± 0.008 от критической плотности Вселенной. Это с точностью до погрешности совпадает с предсказанием стандартной модели Большого взрыва (0.048).

Почему это открытие важно для космологии?

Открытие имеет значение для астрофизиков и космологов: оно подтверждает стандартную модель и снимает потенциальную угрозу для теории Большого взрыва. Для широкой публики это еще один шаг к пониманию устройства Вселенной. В долгосрочной перспективе метод может быть использован для изучения распределения газа в космической паутине и его эволюции. Российские астрономы, работающие с телескопами РАТАН-600 и проектом «Миллиметрон», могут включиться в наблюдения FRB.

Что будет дальше

Следующий шаг — увеличить выборку FRB. Сейчас известно несколько сотен всплесков, но лишь для десятков определено красное смещение. Будущие телескопы, такие как Square Kilometer Array (SKA), будут открывать тысячи FRB, что позволит построить трехмерную карту межгалактического газа. Кроме того, ученые надеются использовать FRB для изучения темной энергии и расширения Вселенной. Каждый новый FRB — это не просто вспышка, а окно в скрытую структуру космоса.

Итог

Обнаружение недостающей обычной материи — триумф наблюдательной астрономии и теории. Оно показывает, что даже самые неуловимые компоненты Вселенной можно найти с помощью остроумных методов. Следите за новостями о FRB: эти вспышки могут стать ключом к новым открытиям в космологии. Теперь, когда загадка недостающих барионов решена, астрономы могут сосредоточиться на других тайнах, таких как природа темной материи и темной энергии.