Около трети массы во Вселенной прячется где-то за пределами галактик и галактического газа.  Наконец-то физикам удалось свести вселенский дебет с кредитом.

Массовый состав Вселенной, источник ESA

Обнаружение тёпло-горячего межгалактического вещества, источник: ESA / ATG medialab; data: ESA / XMM-Newton / F. Nicastro et al. 2018; cosmological simulation: R. Cen

Открыть в полном размере

Обычная (не тёмная) материя состоит из элементарных частиц, которые относятся к категории барионов. Каждый барион в свою очередь состоит из трёх кварков. Самые известные барионы – это протоны и нейтроны. Именно из них состоят все известные нам физические объекты, от звёзд до чёрных дыр. До сих пор измерения астрофизиков идентифицировали только 60-70% «обычного» вещества, которое должно было появиться после Большого Взрыва.

Количество наблюдаемой материи во Вселенной оценивается из наблюдений за реликтовым излучением (микроволновое фоновое излучение, фотоны, «оставшиеся» со времён рекомбинации горячей плазмы в первые атомы, где-то 380 000 лет спустя после Большого Взрыва).

Другой источник информации – «водородное поглощение» света, исходящего от далёких квазаров, активных ядер галактик на раннем этапе развития (т.е. сверхмассивных чёрных дыр, окружённых облаком газа, который «падает» в чёрную дыру, и при приближении к горизонту событий очень интенсивно излучает свет).

Квазары часто называют вселенскими «маяками». Свет, который доходит до нас от таких объектов, проходит огромные расстояния и теряет часть своей энергии за счёт расширения Вселенной (красный сдвиг). Большая часть этого света поглощается атомами водорода. Если поглощение произошло очень далеко, то прибывший к нам спектр поглощения тоже будет сдвинут в сторону меньшей энергии. По этому сдвигу можно определить, когда и где произошло поглощение. Данные такого рода позволяют судить о количестве вещества во Вселенной.

На долю обычной материи приходится около 5% массы Вселенной (остальное – это тёмная материя и тёмная энергия, о которых нам пока что практически ничего не известно). Всего 7% массы обычной материи составляют звёзды. 6.8% приходится на холодный и горячий газ внутри галактик, и ещё 4% – на газ в галактических кластерах.

На холодный и тёплый (по астрофизическим меркам) межгалактический газ приходится 28% и 15% массы всей материи, а вот где прячутся оставшиеся 40% было загадкой. Астрономы подозревали, что вся эта материя тоже должна найтись где-то в менее плотных участках межгалактических волокон, которые очень сложно поддаются наблюдению.

Согласно компьютерным моделям, недостающие барионы должны прятаться в горячем разреженном волокнистом газе между галактиками, известном как тёпло-горячее межгалактическое вещество. Но экспериментально подтвердить эту гипотезу непросто, поскольку большая часть этого газа состоит из ионизированного водорода – горячего газа, в котором электроны оторваны от ядер.

Такая плазма практически невидима для света в дальнем ультрафиолетовом диапазоне (переход электрона в атоме водорода в возбуждённое состояние за счёт поглощения света на соответствующей длине волны невозможен, поскольку электрон уже «оторван» от ядра), и методы оценки количества вещества, о которых мы упоминали выше, не работают.

Новые результаты получены на основе изучения плазмы кислорода, которая так же присутствует в межгалактическом пространстве. Ионизированный кислород поглощает излучение в рентгеновском диапазоне, и его можно наблюдать при соответствующей разрешающей способности телескопов.

Спутниковый телескоп XMM-Newton Европейского Космического Агентства наблюдал за квазаром 1ES 1553 на протяжении 2 лет, общее время сбора данных составило 18 дней. Скрупулёзное изучение полученных данных указывает на то, что в межгалактическом пространстве присутствуют «волокна» кислородной плазмы температурой около миллиона градусов Цельсия.

Оценка массы плазмы в тёпло-горячем межгалактическом пространстве, основанная на этих наблюдениях, соответствуют недостающей материи. Это открытие совершено на пределе возможностей оборудования, доступного на сегодняшний день, и опубликовано в журнале Nature.

Конечно, это только первые результаты. Чтобы убедиться в их правильности, нужно собрать похожие данные с других квазаров с помощью XMM-Newton и Chandra (рентгеновская спутниковая обсерватория НАСА). «Мы очень гордимся тем, что смогли уловить слабый сигнал с помощью XMM-Newton. Мы охотились на эту неуловимую материю, которая пряталась в тумане температурой около миллиона градусов и протяжённостью сотни тысяч световых лет в межгалактическом пространстве, – радуется астрофизик Норберт Шартел. – Теперь, когда мы нашли недостающие барионы, нам не терпится изучить их более подробно!».

Через 10 лет Европейское Космическое Агентство планирует запустить телескоп Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics), который будет «специализироваться» на наблюдении за высокоэнергетической частью космического излучения, чтобы лучше изучить структуру и историю формирования Вселенной.

ЕКА