Быстрые радиовсплески помогли обнаружить загадочную материю вокруг галактик
Учёные Массачусетского технологического института (MIT) в составе международной коллаборации CHIME/FRB разработали новый способ поиска обычной материи, которая долгое время считалась «пропавшей» из Вселенной. Используя быстрые радиовсплески — сверхъяркие миллисекундные сигналы из далёкого космоса, — исследователи обнаружили, что значительная часть этой материи находится в чрезвычайно разреженных облаках, окружающих галактики и их скопления.
На протяжении десятилетий астрономы сталкивались с космической загадкой. Учёные достаточно хорошо оценивают количество материи, существовавшей во Вселенной вскоре после Большого взрыва, однако сегодня наблюдаемого обычного вещества оказывается значительно меньше, чем должно быть согласно этим расчётам. Масса звёзд, галактик и известных газовых облаков составляет лишь около десятой части всего количества барионной материи, существовавшей в ранней Вселенной.
Обычная материя состоит главным образом из барионов — элементарных частиц, к которым относятся протоны и нейтроны и которые формируют основную массу атомов. По оценкам, вскоре после Большого взрыва около 17% материи Вселенной приходилось именно на барионное вещество, тогда как остальная часть состояла из тёмной материи. Однако значительная доля обычной материи, по-видимому, не вошла в состав звёзд и галактик и долгое время оставалась практически невидимой.
Теперь исследователи смогли не только обнаружить эту «пропавшую» материю, но и определить, где именно она находится. Для этого команда объединила данные о быстрых радиовсплесках с информацией о расположении миллионов галактик.
Быстрый радиовсплеск, или FRB, представляет собой чрезвычайно мощную вспышку радиоволн, которая длится всего несколько миллисекунд и приходит из далёкой галактики. По мере распространения через космическое пространство сигнал проходит через различные виды материи. Чем больше вещества встречается на его пути, тем сильнее радиоволны разных энергий задерживаются относительно друг друга, из-за чего исходный короткий импульс «размазывается» во времени.
Исследователи измерили степень такого временного «размазывания» для тысяч FRB, зарегистрированных на Земле. Затем они сопоставили эти данные с расположением галактик, чтобы определить, какая часть эффекта связана с уже известным веществом галактик, а какая — с разреженной материей, которая ранее оставалась неучтённой.
В новом исследовании учёные проанализировали 2870 быстрых радиовсплесков, зарегистрированных радиотелескопом CHIME, и сопоставили их с данными о более чем 6 миллионах галактик из обзора Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Анализ выявил устойчивую закономерность: там, где находится больше галактик, вокруг них обычно присутствует и больше «пропавшей» материи.
Однако обнаруженное вещество оказалось распределено не в виде плотного облака непосредственно вокруг галактик. Оно простирается на огромные расстояния, формируя крайне разреженные «пузыри» или диффузные облака вокруг отдельных галактик и их групп.
По словам исследователей, типичная галактика имеет размер в несколько сотен тысяч световых лет, однако следы обычной материи удалось обнаружить на расстояниях примерно до 4 миллионов световых лет. Это значительно дальше, чем предсказывают многие современные компьютерные модели формирования галактик.
Учёные считают, что объяснением могут быть чрезвычайно мощные процессы, происходящие внутри галактик. Джеты сверхмассивных чёрных дыр, взрывы звёзд и другие высокоэнергетические явления способны выбрасывать газ далеко за пределы галактик. Результаты нового исследования показывают, что такие процессы могут быть значительно более мощными и масштабными, чем предполагалось ранее.
«Мы обнаруживаем материю, которая была вытолкнута на гораздо большие расстояния», — отметил доцент физики MIT Киёси Масуи. По его словам, полученные измерения указывают на то, что активность звёзд и чёрных дыр может быть более сильной и разрушительной, чем предсказывают существующие модели.
Исследователи сравнивают галактики с своеобразными космическими фонтанами, выбрасывающими газ на огромные расстояния. Такие процессы могут существенно влиять на формирование галактик и их взаимодействие с окружающей средой.
«Мы обнаружили, что активность внутри галактик гораздо более хаотична, чем мы думали. Они больше похожи на фонтаны, которые выталкивают газ на очень большие расстояния», — пояснила аспирантка Института астрофизики и космических исследований имени Кавли при MIT Хаочэнь Ван.
Полученные результаты стали возможны благодаря уникальным свойствам быстрых радиовсплесков. Эти сигналы возникают в далёких галактиках и проходят через огромные объёмы космического пространства, поэтому их временное «размазывание» позволяет оценить количество вещества на пути распространения радиоволн.
До этого FRB уже использовались для подтверждения существования разреженных облаков обычной материи между галактиками. Однако новое исследование позволило сделать следующий шаг и впервые подробно изучить пространственную структуру этой материи вокруг галактик.
По мнению учёных, методика может стать ещё точнее по мере накопления новых данных. Радиотелескоп CHIME продолжает обнаруживать быстрые радиовсплески, а увеличение количества таких сигналов позволит составить более подробную карту распределения обычной материи во Вселенной.
Исследование в журнале Physical Review Letters.