Dodano: 18 luty 2019r.

W poszukiwaniu brakującej masy Wszechświata. Badacze mają nowy trop

Gdzie ukrywa się około jednej trzeciej materii Wszechświata? Na to pytanie astronomowie próbują odpowiedzieć od dziesięcioleci. Nowe badania przeprowadzone na podstawie danych zebranych przy pomocy Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra mogą dać uczonym cenną wskazówkę i pomóc rozwiązać zagadkę.

 

Ta brakująca materia nie jest ciemną materią. To zupełnie normalna, zwykła materia, której naukowcy po prostu nie mogą znaleźć. Uczeni na podstawie niezależnych obserwacji z dużą dozą pewności obliczyli, ile normalnej materii - czyli wodoru, helu i innych pierwiastków - istniało tuż po Wielkim Wybuchu.

W czasie pomiędzy pierwszymi minutami, a pierwszym miliardem lat, większość tej normalnej materii skoncentrowała się w postaci kosmicznego pyłu, gazu i obiektów, takich jak gwiazdy i planety, które możemy dostrzec za pomocą teleskopów. Problem polega na tym, że kiedy astronomowie sumują masę całej normalnej materii we współczesnym Wszechświecie, brakuje im około jednej trzeciej.

Więcej światła na to zagadnienie rzucają nowe badania opublikowane na łamach „The Astrophysical Journal”.

 

- Gdzie Wszechświat ukrył tyle materii? Jeśli znajdziemy tę brakującą masę, możemy rozwiązać jedną z największych zagadek w astrofizyce - powiedziała Orsolya Kovács z Harvard Smithsonian Center for Astrophysics, główna autorka publikacji.

Jedna z koncepcji mówi, że brakująca masa zgromadziła się w gigantycznych pasmach lub włóknach ciepłego (poniżej 100 tys. kelwinów) lub gorącego (powyżej 100 tys. kelwinów) gazu wypełniającego przestrzeń międzygalaktyczną. Włókna te są nazywane przez astronomów „ośrodkiem ciepłym" (Warm-Hot Intergalactic Medium – WHIM). Są one niewidoczne dla teleskopów optycznych, ale część ciepłego gazu we włóknach została wykryta w świetle ultrafioletowym.

Dzięki zastosowaniu nowych technik badawczych uczonym udało się uzyskać nowe, mocne dowody na istnienie gorącego składnika WHIM. Odkrycia dokonano na podstawie danych z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra oraz innych teleskopów.

Badacze wykonali obserwacje włókien ciepłego gazu leżących wzdłuż drogi do kwazaru, jasnego źródła promieniowania rentgenowskiego zasilanego przez szybko rosnącą supermasywną czarną dziurę. Kwazar H1821+643 znajduje się około 3,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Jeśli gorący gaz, który jest składnikiem WHIM jest w istocie powiązany z włóknami, część promieni rentgenowskich z kwazaru zostałaby pochłonięta przez gorący gaz. Dlatego badacze szukali sygnatur gorącego gazu w świetle rentgenowskim kwazaru.

Jednym z wyzwań tej metody jest to, że sygnał absorpcji przez WHIM jest słaby w porównaniu do całkowitej ilości promieni X pochodzących z kwazaru. Przeszukując całe spektrum promieni rentgenowskich przy różnych długościach fal, trudno jest odróżnić takie słabe cechy absorpcji - rzeczywiste sygnały WHIM - od przypadkowych fluktuacji.

Kovács wraz z zespołem pokonała ten problem koncentrując swoje poszukiwania tylko na niektórych częściach widma promieniowania rentgenowskiego, zmniejszając prawdopodobieństwo fałszywych trafień. Najpierw zidentyfikowali galaktyki w pobliżu linii wzroku do kwazaru, które znajdują się w tej samej odległości od Ziemi, co obszary ciepłego gazu wykryte z danych ultrafioletowych. Dzięki tej technice zidentyfikowali 17 możliwych włókien między kwazarem a nami i uzyskali ich odległości.

Z powodu ekspansji Wszechświata, która wydłuża promieniowanie podczas podróży, wszelka absorpcja promieni X przez materię w tych włóknach zostanie przesunięta ku czerwieni. Skala przesunięć zależy od odległości od włókna, więc zespół ma informacje, gdzie szukać w widmie absorpcji z WHIM.

- Nasza technika jest zasadniczo podobna do tego, w jaki sposób można przeprowadzić skuteczne poszukiwania zwierząt na rozległych równinach Afryki - wyjaśnił Akos Bogdan, współautor publikacji. - Wiemy, że zwierzęta muszą pić, więc najpierw warto poszukać przy zbiornikach wodnych – dodał.

Po wzmocnieniu sygnału łącząc ze sobą widma z 17 włókien badacze wykryli tlen, którego właściwości sugerowały, że to komponent gazu międzygalaktycznego o temperaturze około miliona stopni Kelvina. Poprzez ekstrapolację z obserwacji tlenu na pełny zestaw pierwiastków oraz z obserwowanego regionu na Wszechświat lokalny, naukowcy poinformowali, że mogą wyjaśnić całkowitą ilość brakującej materii. Przynajmniej w tym konkretnym przypadku brakująca materia ukrywała się w WHIM.

- Byliśmy podekscytowani, że udało nam się wyśledzić część tej brakującej materii - powiedział współautor badań i publikacji Randall Smith. - W przyszłości możemy zastosować tę samą metodę do innych danych, aby potwierdzić, że ta długotrwała zagadka została w końcu złamana – dodał.

 

Źródło: NASA, fot. NASA/CXC/CfA/Kovács et al