Астрономы напрямую увидели недостающую барионную материю Вселенной
F. Nicastro et al. / Nature
Группа астрономов под руководством Фабрицио Никастро показала, что в спектре излучения лацертиды 1ES 1553+113 возникают линии сильно ионизированного кислорода, характерные для сети межгалактического газа, в которой находится около половины барионного вещества Вселенной. До этого момента ученые не могли надежно доказать, что такие структуры действительно существуют. Статья опубликована в Nature, краткий обзор статьи можно найти в разделе News and Views.
Согласно современным представлениям, Вселенная более чем на 95 процентов состоит из темной материи и темной энергии, а на долю обычной, барионной материи (протоны, нейтроны) приходится всего около пяти процентов массы. Эти соотношения подтверждаются численными расчетами в рамках общепринятой модели ΛCDM (холодная темная материя) и полагаются на данные о спектре реликтового излучения, которые спутники Planck и WMAP собирали в 2001–2013 годах. Тем не менее, прямые наблюдения за галактиками приводят к несколько другому результату. Оказывается, что если сложить барионную материю всех известных галактик с красным смещением менее z 5 —10 7 — из-за этого нити часто называют тепло-горячей межгалактической средой (WHIM). К сожалению, плотность газа в тепло-горячей межгалактической среде невероятно мала, а молекулы водорода — основной ее компонент — сильно ионизированы и практически не излучают свет. Поэтому увидеть «недостающее» вещество очень сложно. Пока еще астрономам так и не удалось подтвердить существование межгалактических нитей с достаточной степенью достоверности, хотя несколько свидетельств в их пользу было.
Группа ученых под руководством Фабрицио Никастро (Fabrizio Nicastro), кажется, впервые убедительно доказала, что межгалактические нити действительно существуют. Для этого астрономы проверили, как межзвездная среда искажает излучение лацертиды 1ES 1553+113, которая находится на расстоянии около 4,5 миллиардов световых лет от Земли (z > 0,4, точное расстояние неизвестно). Лацертиды — это мощные источники электромагнитного излучения, имеющие непрерывный спектр практически во всех диапазонах частот. Когда такое излучение проходит через газ, на нем остается «отпечаток» (спектр поглощения вещества), по которому можно точно установить химический состав газа и его расстояние до Земли. В то же время, в тепло-горячей межзвездной среде помимо водорода находится небольшое количество сильно ионизированного атомарного кислорода — если точнее, кислорода O VII, который напоминает строением своих электронных оболочек гелий и которого практически нет в галактиках. Поэтому по характерным «отпечаткам» такого кислорода можно проверить, проходило излучение через межгалактические нити или нет.
Измерив спектр излучения 1ES 1553+113 с помощью рентгеновского телескопа XMM-Newton, ученые обнаружили, что в нем действительно возникает две серии линий, которые можно приписать кислороду O VII, находящемуся на расстоянии около 4,6 и 4,0 миллиардов световых лет (красные смещения z1 ≈ 0,43 и z2 ≈ 0,36 соответственно). Достоверность измерений при этом составила примерно 4σ в обоих случаях, то есть вероятность ошибки детектирования менее 6×10 −5 . Чтобы достичь такой высокой точности, астрономам пришлось непрерывно наблюдать за лацертидой более 1,75 миллиона секунд, то есть почти три недели.
Наложение «отпечатков» ионизированного кислорода на излучение лацертиды (свет движется справа налево)
Таким образом, наблюдения за спектром лацертиды показали, что на красных смещениях около z1 ≈ 0,43 и z2 ≈ 0,36 должна находиться тепло-горячая межзвездная среда, в которой собрана недостающая барионная материя Вселенной — согласно расчетам ученых, измеренная интенсивность поглощения указывает на то, что в ней находится от 9 до 40 процентов всей материи. Кроме того, прямые измерения подтверждаются рядом косвенных признаков. Например, на тех же красных смещениях наблюдается повышенная концентрация галактик, предположительно находящихся на концах нитей. Также в их окрестности наблюдаются области с высокой концентрацией водорода, которые могут принадлежать межгалактическим нитям.
Галактики в окрестностях более далекой структуры
F. Nicastro et al. / Nature
Галактики в окрестностях более близкой структуры
F. Nicastro et al. / Nature
Стоит отметить, что области с сильно ионизированным кислородом O VII могут возникать не только в тепло-горячей межзвездной среде, но и в галактиках. Тем не менее, в этом случае в спектре также должны присутствовать линии поглощения холодных ионов, встречающихся в галактиках гораздо чаще. Авторы статьи подчеркивают, что они такие линии не регистрировали.
В октябре прошлого года сразу две группы астрономов независимо сообщили о регистрации недостающей барионной материи в филаментах с помощью эффекта Сюняева-Зельдовича. Заключается этот эффект в следующем: когда фотоны реликтового излучения рассеиваются на горячих электронах межзвездного газа, они теряют энергию, и в результате спектр излучения немного изменяется. Следовательно, измеряя спектр реликтового излучения, приходящего из разных точек неба, можно судить о концентрации газа, через который им пришлось пройти. Если же сравнить полученную картину с известным распределением галактик, можно рассчитать, как много газа находится в филаментах, ускользающих от прямых наблюдений. Подобный анализ ученые выполнили примерно для миллиона галактик, что позволило им подтвердить с достоверностью около 5σ, что недостающая материя действительно находится в филаментах. Тем не менее, на данный момент статьи все еще проходят проверку в рецензируемых журналах, а потому существуют только в виде препринтов — в прошлом уже поступали ложные сообщения об обнаружении недостающей барионной материи, и редакторы журналов не хотят ошибаться.
В феврале 2016 года группа астрономов под руководством Эвана Кина смогла увидеть недостающую барионную материю, связав данные быстрого радиовсплеска с его источником — далекой эллиптической галактикой. Этот способ очень сильно похож на подход группы Фабрицио Никастро. Одновременно с этой статьей вышла другая работа, в которой астрофизики из Австрии, Германии и США показали, что недостающую барионную материя может находиться не в филаментах, а в джетах сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик.
Источник
Доля барионного вещества во вселенной
НАУКА
ОБРАЗОВАНИЕ
КУЛЬТУРА
Шустов Б. Скрытая масса. Что это такое?
Идея скрытой массы состоит в том, что мы живем во Вселенной, в которой доминирует ненаблюдаемое нами вещество.
Природа этого вещества, по большей части, неясна и, может быть, весьма необычна. Идея скрытой массы большинством астрономов воспринимается как нечто непонятное, но бесспорно установленное.
Поскольку даже в научной литературе используются различные и не всегда согласующиеся определения этой ненаблюдаемой составляющей Вселенной и ее компонентов, я буду использовать наиболее логичные, с моей точки зрения, определения.
Скрытой массой (CM, hidden mass) называют существующее во Вселенной, но ненаблюдаемое вещество. СМ состоит из двух, совершенно различных по природе компонентов: темного вещества (ТВ, dark matter) — вещества неизвестной природы, существование которого проявляется лишь косвенным образом — через гравитационные воздействия на различные объекты Вселенной, и барионного темного вещества (БТВ, baryonic dark matter) — обычного вещества, которое мы пока не можем наблюдать из-за ограниченных возможностей.
2-1О12М0и, в любом случае, не превышает 6-1О12М0П. Нижний предел массы гало оценивается как 1,4-1О12М0. Аналогичную оценку нижнего предела дает метод, предложенный еще в 1959 г. Суть метода состоит в анализе кинематики движений, а по существу гравитационных воздействий нашей Галактики и галактики М31 (они являются наиболее крупными и массивными членами Местной группы) друг на друга.
Таким образом, наблюдения с помощью относительно небольшого космического телескопа FUSE привели к удивительному результату, противоречащему сложившимся представлениям. Оказывается, значительную долю скрытой массы в окрестностях Галактики можно объяснить присутствием плохо обнаружимого, но весьма распространенного тепло-горячего компонента барионной составляющей Вселенной! Создаваемая сейчас под лидерством России международная внеатмосферная обсерватория «Спектр-УФ» («Всемирная космическая обсерватория») с диаметром зеркала телескопа 170 см, оснащенная набором современных спектрографов — наиболее эффективна для решения этой проблемы.
Источник
Ученые нашли потерянную половину всего вещества во Вселенной
В конце 1990-х годов космологи сделали прогноз о том, сколько обычной материи должно быть во Вселенной. По их оценкам получилась величина около 5%, а остальное вещество является таинственной смесью темной материи и темной энергии. Но когда космологи подсчитали все обычное вещество, которое они смогли увидеть или измерить в то время, они пришли к неутешительным выводам — многого не хватает. Если быть точным, вся измеренная ими материя составила лишь половину от 5%.
Так родилась задача, известная как «проблема отсутствующих барионов», и более 20 лет космологи безуспешно искали ее решение. Потребовалось открытие нового космического явления и создание совершенно новых телескопов, и лишь в начале этого года команда из Калифорнийского университета во главе с двумя астрофизиками, Ксавьером Прочаска и Жан-Пьером Маккваром, смогли наконец найти это недостающее вещество.
Барион в классификация типов частиц — это своего рода зонтичный термин, который охватывает протоны и нейтроны, строительные блоки всей обычной материи во Вселенной. Всё в таблице Менделеева и почти всё, что вы считаете «веществом», состоит из барионов.
С конца 1970-х годов космологи подозревали, что темная материя — пока еще неизвестный тип материи, который должен существовать для объяснения гравитационных закономерностей в космосе — составляет большую часть вещества во Вселенной, а остальная небольшая часть — это барионная материя. Однако точное соотношение между ними было вычислено лишь двумя десятилетиями позднее, в 1997 году, когда три ученых из Калифорнийского университета использовали соотношение тяжелых водородных ядер с дополнительным нейтроном к нормальному водороду, получив, что барионы должны составлять около 5% массо-энергетического бюджета Вселенной.
Однако еще не успели высохнуть чернила на их публикации, как другая тройка космологов забила тревогу. Они сообщили, что прямое измерение барионов в нашей нынешней Вселенной, определенное путем переписи звезд, галактик и газа внутри и вокруг них, в сумме дало только половину от прогнозируемых 5% .
Это и вызвало проблему отсутствующих барионов. Поэтому, с учетом того, что материя не может быть ни создана, ни уничтожена, было два возможных объяснения: либо «лишней» материи вообще не существует, а были лишь ошибки в расчетах, либо недостающая материя где-то прячется и ее просто нужно найти.
Астрономы по всему земному шару решили проверить второй вариант и взялись за поиски пропавшего вещества, и первая подсказка пришла год спустя от теоретиков-космологов. Их компьютерное моделирование предсказало, что большая часть недостающей материи скрывается в горячей плазме с низкой плотностью и температурой в миллион градусов, которая пронизывает всю Вселенную. Она была названа «теплой-горячей межгалактической средой» (warm-hot intergalactic medium), или, кратко, WHIM. Ее существование решило бы проблему пропавших барионов, но в то время не было никакой возможности подтвердить ее наличие во Вселенной.
В 2001 году появилось еще одно доказательство в пользу WHIM. Вторая группа подтвердила первоначальное предсказание о том, что барионы составляют 5% Вселенной, изучив крошечные колебания температуры в космическом микроволновом фоне — по существу, это оставшееся после Большого Взрыва излучение. И раз это число подтвердилось уже дважды, космологи стали активнее искать эту тепло-горячую плазму во Вселенной. За последние 20 лет различные команды астрономов привлекли к охоте почти все крупнейшие обсерватории Земли. Было несколько ложных тревог, и лишь одна команда в конце концов связала WHIM с газом вокруг галактик. Но одного слабого подтверждения было мало.
Космический микроволновый фон.
Неожиданное решение в быстрых радиовсплесках
Прорыв в решении проблемы произошел в 2007 году. Тогда Дункан Лоример, астроном из Университета Западной Вирджинии, сообщил об открытии космологического феномена, известного как быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB). Это чрезвычайно короткие высокоэнергетические импульсы радиоизлучения. Космологи и астрономы до сих пор не знают, что их создает, но они, похоже, происходят из далеких-далеких галактик.
Источники, чем бы они ни были, излучают FRB менее тысячной доли секунды, и изначально все длины волн путешествуют в одном тесном пучке. Так что если кому-то повезет — хотя, зная огромные энергии этих радиовсплесков, скорее не повезет — оказаться рядом с источником FRB, то он сможет уловить все длины волн одновременно.
Компьютерное моделирование распределения тепло-горячей межгалактической среды (WHIM).
Но когда радиоволны проходят через материю, они слегка замедляются. И чем больше длина волны, тем сильнее она «чувствует» материю. Думайте об этом, как о сопротивлении воздуха. Большая машина чувствует большее лобовое сопротивление при езде, чем меньшая машина. По-научному это «сопротивление ветра» называется дисперсией.
Ее влияние на радиоволны невероятно мало, но космос велик. К тому времени, когда FRB пролетит миллионы или даже миллиарды световых лет, чтобы достичь Земли, дисперсия замедлит более длинные волны настолько, что они прибывают почти на секунду позже, чем более короткие волны. В этом и заключается потенциал радиовсплесков для «взвешивания» барионов Вселенной. Измеряя распространение различных длин волн в пределах одного FRB, можно точно вычислить, через какое количество вещества — сколько барионов — прошел радиовсплеск на своем пути к Земле.
Однако оставалась последняя проблема. Чтобы точно измерить плотность барионов, нужно знать, откуда к нам прилетел FRB. Зная исходную галактику, можно выяснить, как долго к нам путешествовал радиовсплеск. Учитывая это и степень рассеивания, которую он испытал, теоретически можно вычислить количество вещества, через которое он прошел по пути к Земле. К сожалению, телескопы в 2007 году были недостаточно хороши, чтобы точно определить, из какой галактики появился FRB, они могли лишь детектировать их.
Прошло 11 лет до того момента, когда команда Прочаски и Макквара смогла локализовать первый FRB. В августе 2018 года их совместный проект под названием CRAFT стал использовать радиотелескоп Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP), расположенный в глухом уголке Западной Австралии, для поиска FRB. Этот новый телескоп, которым управляет Национальное научное агентство Австралии CSIRO, может наблюдать огромные участки неба, примерно в 60 раз больше полной Луны, и он может одновременно обнаруживать радиовсплески и точно определять, откуда они пришли.
ASKAP уловил свой первый FRB спустя месяц после начала работы. Как только астрофизики узнали точную часть неба, откуда пришли радиоволны, они тут же использовали телескоп Кека на Гавайях, чтобы определить, из какой галактики пришел FRB и как далеко она от Земли. Так, первый обнаруженный ими радиовсплеск пришел из галактики DES J214425.25–405400.81, которая находится на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от нас.
Австралийский радиоинтерферометр ASKAP.
Так что, как оказалось, и технология, и техника отлично работают. Однако команде нужно было поймать еще несколько радиовсплесков, чтобы получить статистически значимое количество барионов во Вселенной, и для этого нужно было просто сидеть и ждать. К середине июля 2019 года Прочаска и Макквар обнаружили еще пять таких событий — достаточно, чтобы выполнить первые расчеты дисперсии и наконец-то решить проблему отсутствующих барионов.
К их удивлению и радости, полученные данные идеально соответствовали теории, предсказавшей 5%-ое количество обычной материи во Вселенной. «Мы обнаружили все отсутствующие барионы, разгадав эту космологическую загадку и положив конец двум десятилетиям поиска», — сказал Прочаска.
Однако этот результат — только первый шаг. Астрофизики пока что смогли оценить количество барионов во Вселенной, но имея только шесть результатов невозможно построить полную карту «отсутствующих барионов». И хотя это доказывает, что WHIM точно существует, пока неизвестно, как она распределяется. Считается, что она является частью обширной нитевидной сети газа, которая соединяет галактики, так называемой «космической паутины», но требуется регистрация около сотни быстрых радиовсплесков, чтобы космологи смогли начать строить точную карту этой паутины.
Источник