Астрономы долгие годы сталкивались с проблемой: наблюдаемое количество «нормального вещества» — звезд, галактик и газа — не соответствовало расчетам, основанным на событиях Большого взрыва 13,6 миллиарда лет назад. Оказалось, что более половины обычной материи, составляющей лишь 15% от всей материи Вселенной (остальные 85% — темная материя), просто не удавалось обнаружить. Только около 7% нормальной материи образуют звезды; остальное — невидимый ионизированный водород, рассредоточенный в галактиках и межгалактических нитях.
Новейшие исследования показали: недостающее вещество представлено крайне разреженным и невидимым ионизированным водородом, который формирует обширное гало вокруг галактик, гораздо более протяженное, чем считалось раньше. Это открытие ликвидирует расхождение между наблюдаемым количеством нормальной материи и предсказаниями космологических моделей. Кроме того, оно указывает на то, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик действуют активнее, распространяя газ примерно в пять раз дальше от галактического центра, чем предполагалось.
Исследованием руководила Боряна Хаджийска, постдокторский сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. «Мы считаем, что, если смотреть дальше от галактики, мы находим всю недостающую материю», — отмечает Хаджийска. Среди ключевых участников — Симоне Ферраро, старший научный сотрудник Лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, а также Бернарита Рид Гуачалла из Стэнфордского университета и Эммануэль Шаан из Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Всего в проекте приняли участие 75 ученых со всего мира, а результаты представлены на научных конференциях, размещены на arXiv и проходят рецензирование в Physical Review Letters.
Команда оценила распределение ионизированного водорода, обработав изображения примерно 7 миллионов галактик, удаленных от Земли на расстояние до 8 миллиардов световых лет. Они зафиксировали кинематический эффект Сюняева — Зельдовича: минимальные изменения яркости космического микроволнового фона, возникающие вследствие рассеяния излучения электронами в ионизированном газе. Микроволновое излучение, оставшееся с эпохи Большого взрыва, выступает в роли своеобразного «фонаря», позволяя картировать распределение газа.
В качестве источника данных были использованы изображения галактик из обзора Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), проводимого на 4-метровом телескопе Майалла в обсерватории Китт-Пик (Аризона), а также измерения космического микроволнового фона, полученные на телескопе Atacama Cosmology Telescope (ACT) в Чили. DESI создает трехмерную карту десятков миллионов галактик и квазаров на расстоянии до 11 миллиардов световых лет с целью изучения природы темной энергии. ACT, прекративший работу в 2022 году, обеспечил одни из самых точных измерений микроволнового фона.
Обнаруженный газ — это теплое-горячее межгалактическое вещество, состоящее из ионизированного водорода и электронов, соединяющих галактики в космические нити. Такой газ настолько разрежен и холоден, что его невозможно обнаружить обычными методами. Оказалось, что активные ядра галактик — квазары и сверхмассивные черные дыры — выбрасывают этот газ в периоды интенсивного поглощения вещества. Новое исследование показало, что гало ионизированного водорода вокруг галактик гораздо обширнее, чем считалось, что свидетельствует о более частых или продолжительных фазах активности центральных черных дыр, так называемом «рабочем цикле».
Процесс выброса газа из галактики и его последующего возвращения регулирует темпы звездообразования. Еще в 2020 году Ферраро, Шаан и их коллеги обнаружили первые намеки на этот механизм, однако нынешняя работа охватила большее количество галактик и обеспечила более точные измерения.
Открытие требует пересмотра моделей эволюции галактик: современные симуляции должны учитывать более мощную и протяженную обратную связь, и некоторые новые модели уже включают этот фактор. Полное выявление барионной материи (нормального вещества) влияет на понимание структуры Вселенной, процессов формирования галактик и распределения вещества. Недооценка масштабов выброса газа приводила к несоответствиям в космологических расчетах, и теперь эти противоречия могут быть устранены.
Многие астрономы уже заинтересовались новыми результатами для совершенствования моделей эволюции галактик. Техника измерения кинематического эффекта Сюняева — Зельдовича открывает перспективы для изучения ранней Вселенной, проверки теорий гравитации и законов физики в условиях космического детства.
Изображение носит иллюстративный характер
Новейшие исследования показали: недостающее вещество представлено крайне разреженным и невидимым ионизированным водородом, который формирует обширное гало вокруг галактик, гораздо более протяженное, чем считалось раньше. Это открытие ликвидирует расхождение между наблюдаемым количеством нормальной материи и предсказаниями космологических моделей. Кроме того, оно указывает на то, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик действуют активнее, распространяя газ примерно в пять раз дальше от галактического центра, чем предполагалось.
Исследованием руководила Боряна Хаджийска, постдокторский сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. «Мы считаем, что, если смотреть дальше от галактики, мы находим всю недостающую материю», — отмечает Хаджийска. Среди ключевых участников — Симоне Ферраро, старший научный сотрудник Лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, а также Бернарита Рид Гуачалла из Стэнфордского университета и Эммануэль Шаан из Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Всего в проекте приняли участие 75 ученых со всего мира, а результаты представлены на научных конференциях, размещены на arXiv и проходят рецензирование в Physical Review Letters.
Команда оценила распределение ионизированного водорода, обработав изображения примерно 7 миллионов галактик, удаленных от Земли на расстояние до 8 миллиардов световых лет. Они зафиксировали кинематический эффект Сюняева — Зельдовича: минимальные изменения яркости космического микроволнового фона, возникающие вследствие рассеяния излучения электронами в ионизированном газе. Микроволновое излучение, оставшееся с эпохи Большого взрыва, выступает в роли своеобразного «фонаря», позволяя картировать распределение газа.
В качестве источника данных были использованы изображения галактик из обзора Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), проводимого на 4-метровом телескопе Майалла в обсерватории Китт-Пик (Аризона), а также измерения космического микроволнового фона, полученные на телескопе Atacama Cosmology Telescope (ACT) в Чили. DESI создает трехмерную карту десятков миллионов галактик и квазаров на расстоянии до 11 миллиардов световых лет с целью изучения природы темной энергии. ACT, прекративший работу в 2022 году, обеспечил одни из самых точных измерений микроволнового фона.
Обнаруженный газ — это теплое-горячее межгалактическое вещество, состоящее из ионизированного водорода и электронов, соединяющих галактики в космические нити. Такой газ настолько разрежен и холоден, что его невозможно обнаружить обычными методами. Оказалось, что активные ядра галактик — квазары и сверхмассивные черные дыры — выбрасывают этот газ в периоды интенсивного поглощения вещества. Новое исследование показало, что гало ионизированного водорода вокруг галактик гораздо обширнее, чем считалось, что свидетельствует о более частых или продолжительных фазах активности центральных черных дыр, так называемом «рабочем цикле».
Процесс выброса газа из галактики и его последующего возвращения регулирует темпы звездообразования. Еще в 2020 году Ферраро, Шаан и их коллеги обнаружили первые намеки на этот механизм, однако нынешняя работа охватила большее количество галактик и обеспечила более точные измерения.
Открытие требует пересмотра моделей эволюции галактик: современные симуляции должны учитывать более мощную и протяженную обратную связь, и некоторые новые модели уже включают этот фактор. Полное выявление барионной материи (нормального вещества) влияет на понимание структуры Вселенной, процессов формирования галактик и распределения вещества. Недооценка масштабов выброса газа приводила к несоответствиям в космологических расчетах, и теперь эти противоречия могут быть устранены.
Многие астрономы уже заинтересовались новыми результатами для совершенствования моделей эволюции галактик. Техника измерения кинематического эффекта Сюняева — Зельдовича открывает перспективы для изучения ранней Вселенной, проверки теорий гравитации и законов физики в условиях космического детства.
