Где Вселенная скрывает свою недостающую массу? Астрономы потратили десятилетия на поиски чего-то, что звучит так, как будто это было бы трудно упустить: около трети «нормальной» материи во Вселенной. Новые результаты рентгеновской обсерватории Чандра НАСА, возможно, помогли им найти это неуловимое пространство недостающей материи.

Фото: Chandra X-ray Center

На основании независимых, хорошо зарекомендовавших себя наблюдений ученые уверенно подсчитали, сколько нормального вещества — то есть водорода, гелия и других элементов — существовало сразу после Большого взрыва. В промежутке от первых нескольких минут до первого миллиарда лет большая часть нормальной материи попала в космическую пыль, газ и объекты, такие как звезды и планеты, которые телескопы могут видеть в современной Вселенной.

Проблема в том, что, когда астрономы складывают массу всей нормальной материи в современной Вселенной, примерно треть ее не может быть найдена. (Эта недостающая материя отличается от все еще таинственной темной материи.)

Одна идея заключается в том, что недостающая масса собирается в гигантские нити или нити теплого (температура менее 100 000 Кельвинов) и горячего (температура более 100 000 Кельвинов) газа в межгалактическом пространстве. Эти нити известны астрономам как «горячая горячая межгалактическая среда» или WHIM. Они невидимы для оптических световых телескопов, но часть теплого газа в нитях была обнаружена в ультрафиолетовом свете.

Используя новую технику, исследователи нашли новые и убедительные доказательства горячей составляющей WHIM, основанные на данных Чандры и других телескопов.

«Если мы найдем эту недостающую массу, мы сможем решить одну из самых больших проблем в астрофизике», — сказала Орсоля Ковач из Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт (CfA) в Кембридже, штат Массачусетс. «Где Вселенная спрятала так много своей материи, которая составляет такие вещи, как звезды, планеты и мы?».

Астрономы использовали Чандру, чтобы искать и изучать нити теплого газа, лежащие вдоль пути к квазару, яркому источнику рентгеновских лучей, питаемому быстро растущей сверхмассивной черной дырой. Этот квазар находится на расстоянии около 3,5 миллиардов световых лет от Земли. Если компонент WHIM с горячим газом связан с этими нитями, некоторые из рентгеновских лучей квазара будут поглощаться этим горячим газом. Поэтому они искали сигнатуру горячего газа, отпечатанную в рентгеновском свете квазара, обнаруженном Чандрой.

Световой путь

Световой путь. Фото: NASA / CXC / K. Williamson, Springel et al.

Одна из проблем этого метода заключается в том, что сигнал поглощения WHIM слаб по сравнению с общим количеством рентгеновских лучей, приходящих от квазара. При поиске всего спектра рентгеновских лучей на разных длинах волн трудно отличить такие слабые характеристики поглощения — реальные сигналы WHIM — от случайных флуктуаций.

Ковач и ее команда преодолели эту проблему, сосредоточив свои поиски только на определенных частях спектра рентгеновского излучения, уменьшая вероятность ложных срабатываний. Они сделали это, сначала идентифицировав галактики вблизи линии обзора до квазара, которые расположены на том же расстоянии от Земли, что и области теплого газа, обнаруженные по данным ультрафиолета. С помощью этой техники они определили 17 возможных нитей между квазаром и нами, и получили их расстояния.

Из-за расширения Вселенной, которая растягивает свет во время своего путешествия, любое поглощение рентгеновских лучей веществом в этих волокнах будет смещено на более красную длину волны. Величины сдвигов зависят от известных расстояний до нити накала, поэтому команда знала, где искать в спектре поглощение из WHIM.

«Наша методика в принципе похожа на то, как вы могли бы проводить эффективный поиск животных на обширных равнинах Африки», — сказал Акос Богдан, соавтор также из CfA. «Мы знаем, что животные должны пить, поэтому имеет смысл сначала поискать вокруг водопоя».

Хотя сужение их поиска помогло, исследователям также пришлось преодолеть проблему слабости поглощения рентгеновских лучей. Таким образом, они усилили сигнал, сложив спектры из 17 филаментов, превратив наблюдения продолжительностью 5,5 дней в эквивалент данных почти на 100 дней. С помощью этой техники они обнаружили кислород с характеристиками, свидетельствующими о том, что он был в газе с температурой около миллиона градусов Кельвина.

Исследователи сообщают, что экстраполируя данные наблюдений за кислородом на полный набор элементов и от наблюдаемой области до локальной вселенной, они могут составлять полное количество отсутствующего вещества. По крайней мере, в этом конкретном случае, пропавшее дело все-таки скрывалось в WHIM.

«Мы были в восторге от того, что смогли отследить часть этого недостающего вопроса», — сказал соавтор Рэндалл Смит, также из CfA. «В будущем мы можем применить этот же метод к другим данным квазара, чтобы подтвердить, что эта давняя тайна наконец раскрыта».

Статья, описывающая эти результаты, была опубликована в Astrophysical Journal 13 февраля 2019 года.

По материалам phys.org