В конце 1990-х годов космологи сделали прогноз о том, сколько обычной материи должно быть во Вселенной. По их оценкам получилась величина около 5%, а остальное вещество является таинственной смесью темной материи и темной энергии. Но когда космологи подсчитали все обычное вещество, которое они смогли увидеть или измерить в то время, они пришли к неутешительным выводам — многого не хватает. Если быть точным, вся измеренная ими материя составила лишь половину от 5%.
Происхождение проблемы
Барион в классификация типов частиц — это своего рода зонтичный термин, который охватывает протоны и нейтроны, строительные блоки всей обычной материи во Вселенной. Всё в таблице Менделеева и почти всё, что вы считаете «веществом», состоит из барионов.
С конца 1970-х годов космологи подозревали, что темная материя — пока еще неизвестный тип материи, который должен существовать для объяснения гравитационных закономерностей в космосе — составляет большую часть вещества во Вселенной, а остальная небольшая часть — это барионная материя. Однако точное соотношение между ними было вычислено лишь двумя десятилетиями позднее, в 1997 году, когда три ученых из Калифорнийского университета использовали соотношение тяжелых водородных ядер с дополнительным нейтроном к нормальному водороду, получив, что барионы должны составлять около 5% массо-энергетического бюджета Вселенной.
Однако еще не успели высохнуть чернила на их публикации, как другая тройка космологов забила тревогу. Они сообщили, что прямое измерение барионов в нашей нынешней Вселенной, определенное путем переписи звезд, галактик и газа внутри и вокруг них, в сумме дало только половину от прогнозируемых 5% .
Это и вызвало проблему отсутствующих барионов. Поэтому, с учетом того, что материя не может быть ни создана, ни уничтожена, было два возможных объяснения: либо «лишней» материи вообще не существует, а были лишь ошибки в расчетах, либо недостающая материя где-то прячется и ее просто нужно найти.
Неудачный поиск
Астрономы по всему земному шару решили проверить второй вариант и взялись за поиски пропавшего вещества, и первая подсказка пришла год спустя от теоретиков-космологов. Их компьютерное моделирование предсказало, что большая часть недостающей материи скрывается в горячей плазме с низкой плотностью и температурой в миллион градусов, которая пронизывает всю Вселенную. Она была названа «теплой-горячей межгалактической средой» (warm-hot intergalactic medium), или, кратко, WHIM. Ее существование решило бы проблему пропавших барионов, но в то время не было никакой возможности подтвердить ее наличие во Вселенной.
В 2001 году появилось еще одно доказательство в пользу WHIM. Вторая группа подтвердила первоначальное предсказание о том, что барионы составляют 5% Вселенной, изучив крошечные колебания температуры в космическом микроволновом фоне — по существу, это оставшееся после Большого Взрыва излучение. И раз это число подтвердилось уже дважды, космологи стали активнее искать эту тепло-горячую плазму во Вселенной. За последние 20 лет различные команды астрономов привлекли к охоте почти все крупнейшие обсерватории Земли. Было несколько ложных тревог, и лишь одна команда в конце концов связала WHIM с газом вокруг галактик. Но одного слабого подтверждения было мало.
Космический микроволновый фон.
Неожиданное решение в быстрых радиовсплесках
Прорыв в решении проблемы произошел в 2007 году. Тогда Дункан Лоример, астроном из Университета Западной Вирджинии, сообщил об открытии космологического феномена, известного как быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB). Это чрезвычайно короткие высокоэнергетические импульсы радиоизлучения. Космологи и астрономы до сих пор не знают, что их создает, но они, похоже, происходят из далеких-далеких галактик.
Источники, чем бы они ни были, излучают FRB менее тысячной доли секунды, и изначально все длины волн путешествуют в одном тесном пучке. Так что если кому-то повезет — хотя, зная огромные энергии этих радиовсплесков, скорее не повезет — оказаться рядом с источником FRB, то он сможет уловить все длины волн одновременно.
Компьютерное моделирование распределения тепло-горячей межгалактической среды (WHIM).
Но когда радиоволны проходят через материю, они слегка замедляются. И чем больше длина волны, тем сильнее она «чувствует» материю. Думайте об этом, как о сопротивлении воздуха. Большая машина чувствует большее лобовое сопротивление при езде, чем меньшая машина. По-научному это «сопротивление ветра» называется дисперсией.
Ее влияние на радиоволны невероятно мало, но космос велик. К тому времени, когда FRB пролетит миллионы или даже миллиарды световых лет, чтобы достичь Земли, дисперсия замедлит более длинные волны настолько, что они прибывают почти на секунду позже, чем более короткие волны. В этом и заключается потенциал радиовсплесков для «взвешивания» барионов Вселенной. Измеряя распространение различных длин волн в пределах одного FRB, можно точно вычислить, через какое количество вещества — сколько барионов — прошел радиовсплеск на своем пути к Земле.
Однако оставалась последняя проблема. Чтобы точно измерить плотность барионов, нужно знать, откуда к нам прилетел FRB. Зная исходную галактику, можно выяснить, как долго к нам путешествовал радиовсплеск. Учитывая это и степень рассеивания, которую он испытал, теоретически можно вычислить количество вещества, через которое он прошел по пути к Земле. К сожалению, телескопы в 2007 году были недостаточно хороши, чтобы точно определить, из какой галактики появился FRB, они могли лишь детектировать их.
Технические инновации
Прошло 11 лет до того момента, когда команда Прочаски и Макквара смогла локализовать первый FRB. В августе 2018 года их совместный проект под названием CRAFT стал использовать радиотелескоп Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP), расположенный в глухом уголке Западной Австралии, для поиска FRB. Этот новый телескоп, которым управляет Национальное научное агентство Австралии CSIRO, может наблюдать огромные участки неба, примерно в 60 раз больше полной Луны, и он может одновременно обнаруживать радиовсплески и точно определять, откуда они пришли.
ASKAP уловил свой первый FRB спустя месяц после начала работы. Как только астрофизики узнали точную часть неба, откуда пришли радиоволны, они тут же использовали телескоп Кека на Гавайях, чтобы определить, из какой галактики пришел FRB и как далеко она от Земли. Так, первый обнаруженный ими радиовсплеск пришел из галактики DES J214425.25–405400.81, которая находится на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от нас.
Австралийский радиоинтерферометр ASKAP.
Так что, как оказалось, и технология, и техника отлично работают. Однако команде нужно было поймать еще несколько радиовсплесков, чтобы получить статистически значимое количество барионов во Вселенной, и для этого нужно было просто сидеть и ждать. К середине июля 2019 года Прочаска и Макквар обнаружили еще пять таких событий — достаточно, чтобы выполнить первые расчеты дисперсии и наконец-то решить проблему отсутствующих барионов.
К их удивлению и радости, полученные данные идеально соответствовали теории, предсказавшей 5%-ое количество обычной материи во Вселенной. «Мы обнаружили все отсутствующие барионы, разгадав эту космологическую загадку и положив конец двум десятилетиям поиска», — сказал Прочаска.
Однако этот результат — только первый шаг. Астрофизики пока что смогли оценить количество барионов во Вселенной, но имея только шесть результатов невозможно построить полную карту «отсутствующих барионов». И хотя это доказывает, что WHIM точно существует, пока неизвестно, как она распределяется. Считается, что она является частью обширной нитевидной сети газа, которая соединяет галактики, так называемой «космической паутины», но требуется регистрация около сотни быстрых радиовсплесков, чтобы космологи смогли начать строить точную карту этой паутины.
