Недостатня матерія у Всесвіті була знайдена / Фото: Unsplash
Впродовж останніх 20 років вчені билися над вирішенням однієї з найголовніших загадок Всесвіту – "проблемою відсутніх баріонів". На початку 90-х років XX століття при вивченні космосу, астрофізики зробили дивне відкриття – звичайна матерія становить лише 5% від всієї маси Всесвіту. Решту відсутньої речовини приписали до темної матерії і темної енергії, які досі не можуть пояснити. Однак нещодавно з'явилася підказка у вирішенні космологічної загадки. Команда з Каліфорнійського університету на чолі з двома астрофізиками, Хав'єром Прочаска і Жан-П'єром Маккваром, змогли нарешті знайти цю втрачену речовину Всесвіту.
Їх комп'ютерне моделювання передбачило, що велика частина матерії, якої бракує, ховається в гарячій плазмі з низькою щільністю і температурою в мільйон градусів, яка пронизує весь Всесвіт. Вона була названа "теплим-гарячим міжгалактичним середовищем" (warm-hot intergalactic medium) або WHIM. Її існування вирішило б проблему зниклих баріонів. Однак це моделювання було проведено ще в 90-х і підтвердити її наявність у Всесвіті не представлялося можливим.
За останні 20 років різні команди астрономів привернули до полювання за відсутньою речовиною майже всі найбільші обсерваторії Землі. Було кілька помилкових тривог, і лише одна команда зрештою зв'язала WHIM з газом навколо галактик. Але одного слабкого підтвердження було замало.
Дивіться також в сюжеті про те, як астронавти харчуються в космосі:
Прорив у вирішенні проблеми стався в 2007 році. Тоді Дункан Лорімер, астроном з Університету Західної Вірджинії, повідомив про відкриття космологічного феномену, відомого як швидкі радіосплески (Fast Radio Bursts, FRB). Це надзвичайно короткі високоенергетичні імпульси радіовипромінювання. Космологи та астрономи досі не знають, що їх створює, але вони, схоже, походять з далеких-далеких галактик.
Джерела, чим би вони не були, випромінюють FRB менше тисячної частки секунди, і спочатку всі довжини хвиль подорожують в одному тісному пучку. Отже якщо комусь пощастить – хоча, знаючи величезні енергії цих радіосплесків, скоріше не пощастить – опинитися поруч з джерелом FRB, то він зможе вловити всі довжини хвиль одночасно. Але коли радіохвилі проходять через матерію, вони злегка сповільнюються. І чим більше довжина хвилі, тим сильніше вона "відчуває" матерію. Це схоже на опір повітря. По-науковому цей "опір вітру" називається дисперсією.
Її вплив на радіохвилі неймовірно малий, але космос великий. На той час, коли FRB пролетить мільйони або навіть мільярди світлових років, щоб досягти Землі, дисперсія сповільнить довші хвилі настільки, що вони прибувають майже на секунду пізніше, ніж більш короткі хвилі. В цьому і полягає потенціал радіосплесков для "зважування" баріонів Всесвіту. Вимірюючи поширення різних довжин хвиль в межах одного FRB, можна точно вирахувати, через скільки речовини – скільки баріонів – пройшов радіосплеск на своєму шляху до Землі.
Однак залишалася остання проблема. Щоб точно виміряти щільність баріонів, потрібно знати, звідки до нас прилетів FRB. Знаючи вихідну галактику, можна з'ясувати, як довго до нас подорожував радіосплеск. З огляду на це і ступінь розсіювання, яку він зазнав, теоретично можна обчислити кількість речовини, через яку він пройшов на шляху до Землі. На жаль, телескопи в 2007 році були недостатньо гарні, щоб точно визначити, з якої галактики з'явився FRB, вони могли лише детектувати їх.
Минуло 11 років до того моменту, коли команда Прочаска і Макквара змогла локалізувати перший швидкий радіосплеск. У серпні 2018 року їхній спільний проєкт під назвою CRAFT став використовувати радіотелескоп Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP), розташований в глухому куточку Західної Австралії, для пошуку FRB. Цей новий телескоп, яким керує Національне наукове агентство Австралії CSIRO, може спостерігати величезні ділянки неба, приблизно в 60 разів більше повного Місяця, і він може одночасно виявляти радіосплески і точно визначати, звідки вони прийшли.
ASKAP вловив свій перший FRB через місяць після початку роботи. Щойно астрофізики дізналися точну частину неба, звідки прийшли радіохвилі, вони у ту ж мить використали телескоп Кека на Гаваях, щоб визначити, з якої галактики прийшов FRB і як далеко він від Землі. Так, перший виявлений ними радіосплесков прийшов з галактики DES J214425.25-405400.81, яка знаходиться на відстані близько 4 мільярдів світлових років від нас. Однак команді потрібно було зловити ще кілька радіосплесків, щоб отримати статистично значущу кількість баріонів у Всесвіті, і для цього потрібно було просто сидіти і чекати.
До середини липня 2019 року Прочаска і Макквар виявили ще п'ять таких подій – досить, щоб виконати перші розрахунки дисперсії і нарешті вирішити проблему відсутніх баріонів. На їхнє здивування, отримані дані ідеально відповідали теорії, що передбачила 5-відсоткову кількість звичайної матерії у Всесвіті.
"Ми виявили всі відсутні баріони, розгадавши цю космологічні загадку і поклавши край двом десятиліттям пошуку", – сказав Прочаска.
Однак цей результат – тільки перший крок. Астрофізики поки що змогли оцінити кількість баріонів у Всесвіті, але маючи лише шість результатів неможливо побудувати повну карту "відсутніх баріонів". І хоча це доводить, що WHIM точно існує, поки невідомо, як вона розподіляється. Вважається, що вона є частиною великої ниткоподібної мережі газу, яка з'єднує галактики, так званої "космічної павутини", але потрібна реєстрація близько сотні швидких радіосплесків, щоб космологи змогли почати будувати точну карту цієї павутини.
Нагадаємо, що раніше вчені засумнівалися в існуванні темної матерії. Також фізики поставили під сумнів головну теорію Стівена Гокінга.