Къде са се крили барионите в продължение на 20 години?

Къде са се крили барионите в продължение на 20 години?

Астрономи от разнообразни страни съумяха да създадат това, което оставаше мистерия в продължение на десетилетия: да открият къде в действителност е отишла по-голямата част от познатата ни материя. Оказа се, че към три четвърти от барионите – частиците, от които се състоят атомните ядра – не са изчезнали, а са разпръснати в нагретия и с ниска компактност газ, който запълва пространството сред галактиките.

Изследването е извършено от учени от Центъра по астрофизика в Харвард и Смитсоновия институт (CfA) в съдействие с Калифорнийския софтуерен институт (Caltech). Научната работа е оповестена в списание Nature Astronomy.

Проблемът с изчезналата материя безпокои учените повече от 20 години. Според теоретичните модели и данните от ранната Вселена е известно какъв брой бариони би трябвало да са останали след Големия гърмеж. В следения космос обаче е открита единствено половината от упования размер. Останалата част евентуално е била под формата на топъл газ с ниска компактност, разпилян сред галактиките, само че тази материя е била прекомерно тънка и гореща, с цел да бъде засечена с убеденост от съществуващите телескопи.

Преди това астрономите се опитваха да я открият с рентгенови и ултравиолетови лъчи, като проучиха светлината от далечните квазари. Но тези способи дадоха единствено косвени подсказки. Дълго време местоположението на главната част от материята оставаше незнайно.

Решението пристигна от бързите радиоизбухвания (FRB) – къси, само че мощни радиосигнали от далечните галактики. Учените към този момент знаеха, че FRB могат да се употребяват за оценка на количеството материя, през което минават, само че до неотдавна не можеха да свържат тези данни с съответни области от пространството.

Те проучиха 60 нови радиоизбухвания, записани на разнообразни дистанции от Земята, вариращи от 11,74 милиона до 9,1 милиарда светлинни години. Най-близкото е FRB20200120E от галактиката M81, а най-далечното е FRB20230521B.

FRB сигналите се забавят и изкривяват, когато минават през йонизиран газ, тъй че степента на това закъснение може да се употребява за оценка на това какъв брой материя има по продължение на лъча. Това ни разрешава безусловно да „ претеглим “ пространството сред източника на гърмежа и наблюдаващия.

Анализът стига до заключението, че към 76% от барионната материя се намира в междугалактичната среда – гигантските разредени структури, които свързват галактиките и образуват по този начин наречената галактическа мрежа. Около 15% се съдържат в околните до галактическите ореоли, а единствено дребна част се намира в звездите и студения газ в самите галактики.

Това систематизиране е в положително сходство с прогнозите на комплицираните космологични симулации, само че до момента не бе доказано директно.

За събирането на данните е употребен радиотелескопът DSA-110 (Deep Synoptic Array), ръководен от Калтех. Той се трансформира в главен бдителен инструмент за плана. Съавторът на публикацията, професорът по астрономия Викрам Рави, е и един от ръководителите на тази обсерватория.

Разгадаването на местоположението на барионите е основно освен за цялостната картина. То ни оказва помощ да разберем по какъв начин се образуват и развиват галактиките, по какъв начин гравитацията сглобява материята в звездни структури и по какъв начин радиацията се популяризира във Вселената.

Изследователите също по този начин стигат до заключението, че противоположните процеси играят значима роля в преразпределението на материята: гравитацията притегля барионите вътре в галактиките, само че детонациите на свръхновите и активността на свръхмасивните черни дупки могат да ги изхвърлят назад в междугалактичната среда. Механизмът прилича терморегулация: в случай че концентрацията стане прекомерно висока, самата система понижава температурата и плътността.

Сега, когато главната част от материята е локализирана, стартира идващият стадий – създаване на карта на Вселената с още по-голяма акуратност. През идващите години ще влязат в употреба нови обсерватории: DSA-2000 в Съединени американски щати и CHORD в Канада. Те ще могат да записват хиляди FRB всяка година, систематично да сканират Космоса и да го пресъздават на компютър в цялата му хубост.