Это может показаться странным, однако астрономы потратили десятилетия на поиски такой кажущейся на первый взгляд легко обнаруживаемой вещи как треть «обычной» материи Вселенной. Новые результаты рентгеновской обсерватории «Чандра» НАСА, возможно, помогли им найти это неуловимое пространство, заполненное недостающим веществом.
На основании независимых, тщательно проверенных наблюдений ученые смогли подсчитать, сколько обычной материи, то есть водорода, гелия и других элементов, возникло сразу же после Большого взрыва. В промежутке от первых нескольких минут до первого миллиарда лет большая часть этого вещества превратилась в космическую пыль, газ и такие объекты как звезды и планеты, которые в современной Вселенной можно легко увидеть с помощью телескопов.
Проблема в том, что, когда астрономы складывают массу всей обычной материи в современной Вселенной, примерно треть ее оказывается «пропавшей» (не стоит путать недостающую материю с таинственной темной материей).
Была выдвинута теория, согласно которой недостающая масса собирается в гигантские нити или филаменты теплого (температура не превышает 99700 градусов Цельсия) и горячего (температура превышает 99700 градусов Цельсия) газа в межгалактическом пространстве. Эти нити известны астрономам как «тепло-горячая межгалактическая среда» или WHIM. Они невидимы для оптических световых телескопов, но часть теплого газа в нитях была обнаружена в ультрафиолетовом свете.
Используя новый метод, исследователи нашли более убедительные доказательства горячей составляющей WHIM, основанные на данных «Чандры» и других телескопов.
«Если мы найдем эту недостающую массу, то сможем решить одну из самых больших проблем в астрофизике», – отметила Орсоля Ковач из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс. «Где Вселенная могла спрятать так много своей материи, из которой состоят такие вещи, как звезды, планеты и мы сами?»
Астрономы использовали «Чандру», чтобы искать и изучать нити теплого газа, лежащие вдоль путей, ведущих к квазару – яркому источнику рентгеновских лучей, питаемому быстро растущей сверхмассивной черной дырой. Этот квазар находится на расстоянии около 3,5 миллиарда световых лет от Земли. Если компонент WHIM с горячим газом связан с этими нитями, то некоторые из рентгеновских лучей квазара будут поглощаться им. Поэтому они искали сигнатуру горячего газа, отпечатанную в рентгеновском свете квазара, обнаруженном телескопом.
Одна из проблем данного метода заключается в том, что сигнал поглощения WHIM слаб по сравнению с общим количеством рентгеновских лучей, исходящих от квазара. При анализе всего спектра рентгеновских лучей с разными длинами волн трудно отличать слабые характеристики поглощения 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 смогли сделать это, сначала идентифицировав галактики вблизи линии обзора квазара, которые расположены на том же расстоянии от Земли, что и области теплого газа, обнаруженные по данным ультрафиолетового наблюдения. С помощью этого способа они обнаружили 17 возможных нитей между квазаром и нами, и даже вычислили их расстояния.
Из-за расширения Вселенной, которая растягивает свет во время его перемещения, любое поглощение рентгеновских лучей материей в этих филаментах будет смещено на более красную длину волны. Величины сдвигов зависят от известных расстояний до филаментов, поэтому команда знала, где искать поглощение из WHIM в выбранном спектре.
«Наша методика, по сути, похожа на эффективный поиск животных на обширных африканских равнинах», – отметил Акос Богдан, соавтор исследования из Центра астрофизики. «Мы знаем, что звери должны пить, поэтому имеет смысл сначала поискать вокруг водопоев».
Хоть сужение поиска и помогло ученым, однако им также пришлось преодолеть проблему слабости поглощения рентгеновских лучей. Для этого они усилили сигнал, сложив спектры из 17 филаментов, продлив наблюдения с 5,5 дня до 100 дней. С помощью этого способа они обнаружили кислород с характеристиками, свидетельствующими о том, что он являлся частью газа с температурой около 999 000 градусов Цельсия.
Исследователи заявляют, что, если экстраполировать информацию, полученную при наблюдениях за кислородом, на полный набор элементов и от выбранной области до всей Вселенной, то можно получить полную массу «пропавшей» материи.
«Мы были в восторге от того, что смогли отследить часть этого недостающего вещества», – сообщил соавтор работы Рэндалл Смит. «В будущем мы можем применить этот же метод к другим характеристикам квазара, чтобы подтвердить, что нам наконец-то удалось раскрыть эту тайну».
Статья, описывающая данное исследование, была опубликована в журнале Astrophysical Journal 13 февраля 2019 года.