Астрономы нашли пропавшую материю: роль быстрых радиовсплесков и данные телескопа CHIME

Физики давно знали, что во Вселенной не сходится баланс вещества, из которого состоят звезды, планеты и мы сами. По расчетам, после Большого взрыва около 17% содержимого Вселенной должно приходиться на обычную материю и около 83% — на темную. Но если просто сложить все видимое вещество внутри галактик, получается лишь примерно одна десятая от ожидаемого количества материи. Остальная материя куда-то пропала, и астрономы на протяжении многих лет пытались ее найти.

Давно предполагалось, что эта материя может быть разбросана за пределами галактик, в межгалактическом пространстве, настолько разреженном, что прямое обнаружение вещества в нем почти невозможно. Новое исследование международной коллаборации CHIME/FRB, которую возглавили специалисты Массачусетского технологического института (MIT), показало, что это предположение вполне верно, и даже позволило впервые четко «увидеть» эту рассредоточенную материю.

Ключевым инструментом ученых стали быстрые радиовсплески (FRB) — сверхъяркие, но очень короткие (доли миллисекунды) вспышки радиоволн, которые приходят к нам из далеких галактик. По пути к Земле эти сигналы проходят через облака вещества и как бы «размазываются» во времени: разные частоты приходят с небольшой задержкой. «Мы можем очень точно измерить эту степень “размазывания”, которая прямо пропорциональна тому, сколько вещества сигнал встретил по пути», — объясняет соавтор работы, научный сотрудник Института Кавли при MIT Хаочэн Ван.

Авторы работы совместили данные радиотелескопа CHIME, регистрирующего тысячи FRB, и обзора DESI, который содержит точные координаты миллионов галактик. Сопоставляя, насколько были «размазаны» отдельные всплески, с тем, проходили ли они через галактики или между ними, специалисты смогли оценить, где именно по пути находилась материя.

Оказалось, что огромные запасы ранее неучтенного вещества действительно расположены за пределами галактик, причем в виде сильно растянутых облаков, уходящих гораздо дальше, чем предсказывали компьютерные модели. «Галактика — это несколько сотен тысяч световых лет в поперечнике, а мы нашли недостающую материю на расстояниях до примерно 4 миллионов световых лет, — говорит соавтор работы Киеси Масуи, доцент физики в MIT. — Это заметно дальше, чем можно было предположить по симуляциям».

Выводы подтверждают идею, что мощные процессы внутри галактик — вспышки сверхновых, выбросы плазмы из окрестностей черных дыр — выдувают вещество далеко наружу. Но чтобы забросить его так далеко, эти явления должны быть еще более энергичными, чем считалось раньше. «Наши измерения показывают, что активность звезд и черных дыр сильнее и гораздо более бурная, чем предсказывали модели», — отмечает Масуи.

Теперь, когда ученые убедились, что быстрые радиовсплески можно использовать как инструмент поиска скрытой материи, они ожидают, что с ростом количества данных точность таких карт будет только увеличиваться. «Нам впервые удалось заставить метод работать, — говорит Масуи. — И по мере сбора данных он будет работать все точнее».

Ранее ученые впервые увидели, как шесть юных галактик сливаются в одну.