Виявлено половину водню у Всесвіті, яку довго не враховували

Астрономи виявили значну частину “зниклої” нормальної матерії Всесвіту у вигляді дифузного іонізованого водневого газу, що утворює масивні гало навколо галактик.

Дослідники десятиліттями не могли пояснити відсутність більше половини нормальної матерії. Загадка полягала в розбіжності між теоретичними розрахунками та спостереженнями. Нормальна матерія становить лише 15% від усієї матерії Всесвіту. Решта 85% — це темна матерія, природа якої залишається невідомою.

Щоб знайти відсутню матерію, команда вчених застосувала новаторський підхід. Вони наклали зображення понад 7 мільйонів галактик одне на одне. Це дозволило виявити слабкий сигнал іонізованого водню, що простягається набагато далі від галактичних центрів, ніж вважалося раніше.

“Ми вважаємо, що коли ми відійдемо далі від галактики, ми відновимо весь зниклий газ“, — пояснила Боряна Гадзійська, докторантка Каліфорнійського університету в Берклі. Її колега Сімона Ферраро підтверджує: “Вимірювання, безумовно, узгоджуються з тим, що ми знайшли весь газ“.

Методологія дослідження

Для виявлення розрідженого іонізованого газу вчені використали кінематичний ефект Суняєва-Зельдовича. Цей метод дозволяє виміряти незначні зміни в космічному мікрохвильовому фоні, спричинені розсіюванням випромінювання електронами в іонізованому газі.

“Космічний мікрохвильовий фон знаходиться в глибині всього, що ми бачимо у Всесвіті. Це край спостережуваного всесвіту“, — пояснює Ферраро. “Тож ви можете використовувати його як підсвічування, щоб побачити, де знаходиться газ“.

Дослідники використали дані, зібрані двома потужними інструментами. Перший — Спектроскопічний інструмент темної енергії (DESI) на 4-метровому телескопі Мейолла в Аризоні. Другий — Атакамський космологічний телескоп (ACT) у Чилі.

Робота проводилася великою міжнародною командою, що включає 75 вчених. Результати дослідження проходять рецензування в журналі Physical Review Letters. Відкриття усуває суперечність між спостереженнями та найкращою моделлю еволюції Всесвіту.

Наслідки для розуміння галактичної еволюції

Нові дані свідчать, що чорні діри в центрах галактик активніші, ніж вважалося раніше. Вони викидають газ на відстань приблизно в п’ять разів більшу від галактичного центру, ніж показували попередні моделі.

Астрономи називають цей процес “галактичним зворотним зв’язком”. Він регулює утворення нових зірок у галактиці. Газ, витіснений чорною дірою, згодом повертається в галактичний диск, запускаючи цикли зореутворення.

“Одна з проблем, яку ми не розуміємо, пов’язана з чорними дірами, і одна з гіпотез полягає в тому, що вони час від часу вмикаються і вимикаються в так званому робочому циклі“, — зазначила Гадзійська. Це означає, що центральні чорні діри можуть ставати активними в різні періоди свого існування.

Дослідження Бернардіти Рід Гуачалла підтвердило, що газ не розподілений рівномірно навколо галактик. Він слідує за “космічними нитками”, що пронизують Всесвіт, утворюючи грандіозну космічну мережу.

Значення для космології

Виявлення відсутньої матерії має важливі наслідки для космологічних моделей. “Знання того, де знаходиться газ, стало одним з найсерйозніших обмежуючих факторів у спробах вивести космологію з поточних і майбутніх досліджень“, — підкреслив Ферраро.

Результати дослідження ставлять під сумнів припущення, що газ слідує за темною матерією. Врахування нових даних може усунути невідповідності в космологічних моделях і пояснити певні особливості структури Всесвіту.

Технологія, використана командою, також може бути застосована для дослідження раннього Всесвіту. Вона дозволить перевірити загальну теорію відносності та отримати нові уявлення про фундаментальні закони фізики.

Гадзійська зазначила, що сучасні симуляції еволюції галактик мають включати цей більш потужний зворотний зв’язок у свої моделі. Деякі нові симуляції вже враховують ці дані, що дозволяє точніше моделювати еволюцію космічних структур.