Где прячется недостающая масса Вселенной?

Десятилетия потратили астрономы на поиски недостающего количества "обычной" материи во Вселенной. Новые результаты наблюдений с помощью рентгеновской обсерватории Чандра, возможно, помогут им обнаружить эту неуловимую массу.

Используя независимые наблюдения, учёные смогли уверенно подсчитать, сколько обычного вещества - водорода, гелия и других элементов - существовало сразу после Большого Взрыва.
В промежутке времени от первых минут до первого миллиарда лет после возникновения Вселенной значительная часть обычной материи ушла на образование космической пыли, газа, звёзд и планет, которые можно наблюдать при помощи телескопов в современной Вселенной.

Проблема в том, что, когда астрономы суммируют массу всей нормальной (обычной) материи во Вселенной, примерно одна треть её оказывается необнаруженной. (Эта недостающая материя отличается от таинственной тёмной материи).

Одна из гипотез заключается в том, что недостающая масса собирается в гигантские нити, состоящие из тёплого (с температурой до 100000 К) и горячего (с температурой более 100000 К) газа в межгалактическом пространстве. Эти нити известны астрономам как "тёплая-горячая межгалактическая среда". Они невидимы в оптическом диапазоне, но часть тёплого газа в нитях была обнаружена в ультрафиолетовом спектре.

Используя новый метод, исследователи нашли убедительные доказательства наличия горячего газа в нитях, основанные на данных от обсерватории Чандра и других телескопов.

Астрономы использовали орбитальную обсерваторию Чандра для поиска и изучения нитей тёплого газа, протянувшихся вдоль пути к квазару - яркому источнику рентгеновского излучения, питаемому быстро растущей сверхмассивной чёрной дырой.
Этот квазар находится примерно в 3,5 миллиардах световых лет от Земли. Если горячая газовая составляющая межгалактической среды связана с этими нитями, то часть рентгеновского излучения квазара будет поглощаться горячим газом. Поэтому учёные искали следы горячего газа, который взаимодействует с рентгеновским светом квазара, обнаруженного обсерваторией Чандра.

Одна из проблем этого метода заключается в том, что сигнал поглощения от межзвёздной среды довольно слабый по сравнению с общим количеством рентгеновских лучей, испускаемых квазаром. При поиске во всём диапазоне рентгеновских лучей с различными длинами волн трудно отличить такие слабые характеристики поглощения, то есть фактические сигналы, принадлежащие межгалактической среде, от случайных флуктуаций.

Команда О. Ковач из Центра астрофизики преодолела эту проблему, сосредоточив свои поиски только в определённых частях спектра рентгеновского излучения, уменьшая вероятность ложных срабатываний.
Сначала они идентифицировали галактики вблизи линии обзора, ведущей к квазару. Галактики расположены на том же расстоянии от Земли, что и области тёплого газа, обнаруженные благодаря данным в ультрафиолетовом диапазоне. С помощью этой методики они определили 17 возможных нитей, пролегающих между квазаром и нами и оценили в итоге их протяжённость.

Из-за расширения Вселенной, которое растягивает свет по мере его перемещения, любое поглощение рентгеновских лучей материей в этих нитях будет смещаться к более красному диапазону длин волн. Величина красного смещения зависит от известных расстояний до нитей, поэтому команда учёных производила поиски в определённых частях спектра поглощения.

"Наша методика в принципе похожа на эффективный поиск животных на обширных равнинах Африки, - говорит Эйкос Богдан из Центра астрофизики. - Мы знаем, что животным необходимо пить, поэтому имеет смысл сначала поискать вблизи водопоев".

Сужение поиска помогло, но исследователям также пришлось решать проблему слабого поглощения рентгеновских лучей. Поэтому они усилили сигнал, объединив спектры поглощения 17 нитей, при этом наблюдения за 5,5 дней превратились в эквивалент данных, собранных почти за 100 дней.
С помощью этого метода они обнаружили линии кислорода с такими характеристиками, которые предполагают его содержание в межгалактическом газе с температурой около 1 миллиона градусов Кельвина.

Исследователи сообщают, что путём экстраполяции данных о линиях кислорода на полный набор элементов и наблюдаемой области космоса до ближней вселенной, они могут рассчитать полное количество недостающего вещества. По крайней мере, в данном конкретном случае пропавшая материя всё-таки скрывалась в "тёплой-горячей межгалактической среде" (ТГМС).

"Мы были рады обнаружить часть недостающего вещества, - сообщил соавтор исследования Рэндалл Смит. - В будущем мы можем использовать этот метод для других квазаров, чтобы подтвердить достоверность наших исследований".

Статья с описанием результатов этих исследований опубликована в "Журнале астрофизики" (The Astrophysical Journal) 13 февраля 2019 года и доступна в сети Интернет.


1 С = 274,15 К