Gdzie wszechświat skrywa brakującą masę?

Credit: Chandra X-ray Center

Astronomowie spędzają dziesięciolecia na poszukiwaniach czegoś co wydaje się dość trudne do ukrycia: około jednej trzeciej “normalnej” materii we Wszechświecie. Najnowsze wyniki badań przeprowadzonych na podstawie danych zebranych przez Obserwatorium Rentgenowskie Chandra mogą pomóc im zlokalizować tę brakującą materię.

Na podstawie niezależnych, standardowych obserwacji, naukowcy z dużą pewnością obliczyli jak dużo normalnej materii – to znaczy wodoru, helu i innych pierwiastków – istniało tuż po Wielkim Wybuchu. W czasie od kilku pierwszych minut do pierwszego miliarda lat historii wszechświata większość tej normalnej materii skupiła się w kosmicznym pyle, gazie i obiektach takich jak gwiazdy i planety, które jesteśmy w stanie dostrzec za pomocą współczesnych teleskopów.

Problem jednak polega na tym, że gdy astronomowie sumują całą masę całej normalnej materii we współczesnym wszechświecie, wciąż brakuje jednej trzeciej. Swoją drogą brakująca materia jest czymś zupełnie innym od tajemniczej ciemnej materii.

Jeden z pomysłów mówi, że brakująca materia zebrała się w gigantycznych włóknach ciepłego (temperatura niższa niż 100 000K) lub gorącego (temperatura wyższa od 100 000 K) gazu w przestrzeni międzygalaktycznej. Owe włókna nazywane są przez astronomów “ośrodkiem ciepłym”, WHIM (ang. warm-hot intergalactic medium). Pozostają one niewidoczne dla teleskopów obserwujących niebo w zakresie optycznym, ale część tego ciepłego gazu wypełniającego włókna wykryto w zakresie promieniowania ultrafioletowego.

Wykorzystując nową technikę badawczą, naukowcy odkryli nowe i silne dowody na istnienie gorącego składnika WHIM w danych z Chandry i innych teleskopów.

“Jeżeli odkryjemy tę brakującą masę, możemy rozwiązać jedną z największych zagadek astrofizyki” mówi Orsolya Kovacs z Centrum Astronomii Harvard & Smithsonian w Cambridge, MA. “Gdzie wszechświat mógł upchnąć tak dużo materii, z której zbudowane są gwiazdy, planety i my?”

Astronomowie wykorzystali Chandrę do poszukiwania i badania włókien ciepłego gazu leżąco wzdłuż ścieżki do kwazaru, jasnego źródła promieniowania rentgenowskiego zasilanego przez supermasywną czarną dziurę. Kwazar ten znajduje się około 3,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Jeżeli gorący gaz będący składnikiem WHIM związany jest z tymi włóknami, część promieniowania rentgenowskiego z kwazaru uległaby pochłonięciu przez gorący gaz. Dlatego też badacze poszukiwali sygnatury gorącego gazu w promieniowaniu rentgenowskim kwazaru.

Źródło: NASA/CXC/K.Williamson, Springel et al.

Jedno z wyzwań stojących przed badaczami korzystającymi z tej metody jest fakt, że sygnał absorpcji przez WHIM jest słaby w porównaniu do całkowitej ilości promieniowania rentgenowskiego emitowanej przez kwazar. Przeszukując całe widmo rentgenowskie, trudno jest wykryć tak słaby wpływ absorpcji – faktyczne ślady WHIM – od losowych fluktuacji.

Kovacs wraz ze swoim zespołem pokonał ten problem skupiając swoje poszukiwania tylko na określonych częściach widma rentgenowskiego, obniżając tym samym prawdopodobieństwo wystąpienia błędów pierwszego rodzaju. Dokonali tego najpierw identyfikując galaktyki w pobliżu linii wzroku do kwazaru, które znajdują się w ten samej odległości od Ziemi co regiony ciepłego gazu wykryte w danych ultrafioletowych. Dzięki tej technice udało się zidentyfikować 17 możliwych włókien między kwazarem a nami i określić odległości do nich.

Ze względu na ekspansję wszechświata, która wydłuża promieniowanie podążające w naszą stronę, jakakolwiek absorpcja promieniowania rentgenowskiego przez materię w tych włóknach będzie przesunięta ku czerwieni. Skala przesunięcia zależy od odległości do włókna, zatem zespół badaczy wie, w których fragmentach widma poszukiwać absorpcji spowodowanej przez WHIM.

“Nasza technika co do zasady przypomina wydajne poszukiwanie zwierząt na rozległych równinach Afryki” mówi Akos Bogdan, współautor z CfA. “Wiemy, że zwierzęta muszą pić, zatem rozsądnie jest najpierw poszukać przy zbiornikach wodnych”.

Mimo, że zawężanie poszukiwań pomogło, badacze musieli także pokonać problem niewielkiej skali absorpcji. Dlatego też wzmocniono sygnał łącząc ze sobą widma z 17 włókien, dzięki czemu zamieniono 5,5-dniowe obserwacje w równowartość danych, do których zebrania potrzeba by było 100 dni. Dzięki ej technice badacze wykryli tlen, którego cech wskazywały, że jest on elementem gazu o temperaturze około miliona kelwinów.

Ekstrapolując obserwacje tlenu na cały zestaw pierwiastków oraz z obserwowanego obszaru do lokalnego wszechświata, badacze donoszą, że być może odkryli całą brakującą materię. Przynajmniej w tym konkretnym przypadku brakująca materia faktycznie skrywała się w WHIM.

“To niesamowite, że udało nam się wyśledzić przynajmniej część tej brakującej materii” mówi Randall Smith, także z CfA. “W przyszłości możemy zastosować tę samą metodę do innych kwazarów i potwierdzić czy ta odwieczna zagadka ostatecznie została rozwiązana”.

Źródło: Chandra X-ray Center

Artykuł naukowy: https://arxiv.org/abs/1812.04625