Две последние декады астрофизики посвятили одной из самых запутанных загадок космоса — вопросу, куда во Вселенной исчезла половина обычной материи, которую называют барионной. По классическим представлениям, барионная материя — это всё, что мы видим вокруг: звёзды, планеты, газ и пыль. Она составляет лишь около 15 % всей материи во Вселенной, остальное — темная материя и энергия.
Однако астрономы наблюдали лишь около половины этой барионной материи. Оставшаяся часть словно растворилась в пустоте, что породило термин missing baryons — пропавшие барионы. На протяжении двадцати лет учёные пытались понять, где же спрятана эта недостающая материя, и наконец получили убедительный ответ: она скрывается в горячем, разреженном и практически невидимом газе, простирающемся между галактиками.
Космическая бухгалтерия: чего не хватало?
Теоретические расчёты, основанные на нуклеосинтезе в ранней Вселенной и данных космологического микроволнового фона, определяли долю обычной материи примерно в 15 % от общей массы Вселенной. Это подтверждали и современные модели формирования структур. Однако наблюдательные данные — результаты работы телескопов и других приборов — указывали, что «видимой» барионной материи в космосе примерно в два раза меньше. Такая диспропорция поставила под сомнение не только полную картину распределения материи, но и основы физики космоса. Где же прячутся эти миллиарды тонн барионов?
Быстрые радиовсплески — маяки в космической темноте
Ключ к разгадке дала радиосвязь. Быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB) — это крошечные, но чрезвычайно мощные импульсы радиоволн, длящихся лишь миллисекунды, но при этом генерируемые на огромных расстояниях и преодолевающие миллиарды световых лет. Эти всплески рассеиваются на электронах, находящихся на их пути, и именно этот эффект позволяет измерить количество барионов, через которые сигнал прошёл. Чем больше газа и частиц встречается на пути FRB, тем сильнее искажается и изменяется спектр сигнала.
Исследовательская группа под руководством астрофизика Лиама Коннора из Калифорнийского технологического института (Caltech) проанализировала 69 локализованных быстрых радиовсплесков. В их распоряжении были данные, собранные с разных радиотелескопов, включая Deep Synoptic Array в Калифорнии, а также CHIME и ASKAP. Самый удалённый из зафиксированных сигналов пришёл из эпохи, когда возраст Вселенной составлял примерно 4,7 миллиарда лет — это соответствует красному смещению около 1,3.
Главные цифры и выводы исследования
После сопоставления дисперсии радиовсплесков с картами галактик учёные смогли выделить распределение барионной материи в разных космических структурах:
- Около 76 % барионов находятся в межгалактической среде — в виде тонких нитей горячей плазмы, которые составляют так называемую «межгалактическую паутину». Это огромное и разреженное облако газа, связывающее галактики в единое космическое полотно.
- Около 15 % сосредоточено в гало — газовых оболочках вокруг галактических дисков, которые рассеиваются и тянутся далеко за пределы видимой материи галактик.
- Остальные 9 % находятся внутри самих галактик, включая звёзды, туманности, планеты и всё, что мы видим и знаем как материю.
Таким образом, загадка «пропавших» барионов была решена: большая часть их прячется в горячем, тонком и трудноуловимом газе между галактиками. Эти результаты окончательно закрывают вопрос, который мучил учёных с начала 2000-х годов.
Почему барионы покидают галактики?
С точки зрения физики, гравитация стремится удерживать газ и материю в галактических дисках, где происходит звездообразование. Однако мощные космические процессы выбрасывают значительную часть этого газа обратно в межгалактическое пространство. Среди таких процессов — вспышки сверхновых, которые взрываются и разгоняют окружающий газ, звёздные ветры, создаваемые массивными звёздами, и мощные джеты, исходящие от сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. Эти джеты способны разгонять плазму со скоростями в тысячи километров в секунду.
Как подчёркивает Лиам Коннор, если бы эти процессы были менее интенсивными, в нашей Вселенной сформировалось бы гораздо больше звёзд. Но именно благодаря им значительная часть барионной материи оказывается «выброшенной» в межгалактическую среду, где её было так сложно обнаружить.
Что дальше? Охота на тёмную материю и новые горизонты
Хотя проблема барионов решена, главная загадка современной космологии — тёмная материя — остаётся нерешённой. Она составляет около 85 % массы всей материи во Вселенной, но её природа пока что неизвестна. Учёные надеются, что дальнейшее изучение быстрых радиовсплесков, а также развитие новых телескопов и радиоинструментов — таких как массив DSA-2000 и радиотелескоп SKA (Square Kilometre Array) — помогут построить детальные карты распределения тёмной материи через изучение гравитационных линз и теней.
Эти технологии позволят астрономам лучше понять не только «видимую» материю, но и невидимые компоненты Вселенной, двигая науку вперёд к разгадке её фундаментальных тайн.
Итоги и значение открытия
Вселенная продолжает хранить множество загадок, но одна из самых стойких — где же прячется барионная материя? — получила убедительный ответ. Это открытие не только помогает завершить фундаментальную картину космической структуры, но и даёт новое направление для исследований и разработок в астрономии и космологии.
Сегодня мы вступаем в новую эпоху космической инвентаризации, где инструменты и методы позволяют не просто наблюдать звёзды, а понимать распределение материи на самых больших масштабах. Это открывает путь к новым знаниям о происхождении и эволюции Вселенной, а также к более глубокому пониманию законов природы, управляющих космосом.
Если кратко, то двадцатилетний поиск пропавшей половины обычной материи завершился: барионы были обнаружены в горячем межгалактическом газе благодаря уникальному методу анализа быстрых радиовсплесков. Это достижение открывает новые перспективы в астрофизике и приближает нас к разгадке других великих космических загадок.