В начале 2024 года докторант Университета Макгилла Вишванги Шах и ее коллеги, работая с Канадским экспериментом по картированию интенсивности водорода (CHIME), зафиксировали необычный быстрый радиовсплеск. Сигнал, получивший название 20240209A, исходил с окраины «мертвой» галактики — области, где отсутствует звездообразование и которая, по всем прогнозам, должна была быть тихой. Это открытие предположило, что быстрые радиовсплески (FRB) могут возникать в результате неожиданных процессов и быть гораздо более распространенными, чем считалось ранее, что дало астрономам новый инструмент для решения давней космической загадки.
В 1990-х годах стандартная космологическая модель Лямбда-CDM предсказала, что барионная материя — обычное вещество, состоящее из протонов и нейтронов, из которого состоят звезды, планеты и мы сами — должна составлять около 5% от общей массы и энергии Вселенной. Однако наблюдения могли обнаружить лишь около 70% от этого расчетного количества. Этот разрыв стал известен как «проблема недостающих барионов». Астрофизик Сиднейского университета Маниша Калеб называет это «космической бухгалтерской задачей».
Ученые предполагали, что недостающая материя существует в виде так называемой «тепло-горячей межгалактической среды» (WHIM) — разреженных и раскаленных нитей плазмы, протянувшихся между галактиками. Проблема заключалась в том, что эта среда практически невидима, так как излучает очень мало света. По словам Маниши Калеб, попытка ее наблюдать — «все равно что пытаться увидеть туман в темноте». Неспособность найти эту материю вызывала серьезное беспокойство. Астрофизик из Гарвардского университета Лиам Коннор заявлял, что «досадно и неловко терять большую часть обычной материи». Теоретический космолог Техасского университета в Остине Джулиан Муньос предупреждал, что если материя не будет найдена, «это будет означать, что в наших моделях» космической истории есть ошибка.
Решение пришло из неожиданного источника — от быстрых радиовсплесков. Это чрезвычайно мощные вспышки радиоволн, которые за долю секунды высвобождают больше энергии, чем Солнце за несколько дней. Большинство из них длится около миллисекунды. Первый такой всплеск был идентифицирован в 2007 году астрономом из Университета Западной Вирджинии Дунканом Лоримером при анализе архивных данных телескопа, записанных еще в 2001 году. Тот всплеск длился менее 5 миллисекунд.
Основная теория происхождения FRB связывает их с молодыми магнетарами — сверхплотными и сильно намагниченными ядрами массивных звезд. Однако открытие, сделанное Шах, указывает на возможность их возникновения от старых магнетаров или от слияния старых звезд. Ключевое свойство FRB заключается в том, что при прохождении через космос их радиоволны заметно замедляются и рассеиваются барионной материей, но при этом совершенно не взаимодействуют с темной материей. Этот эффект, называемый «мерой дисперсии», позволяет точно рассчитать количество обычного вещества на пути сигнала.
В 2013 году Мэттью Маккуинн из Вашингтонского университета в журнале The Astrophysical Journal Letters предложил использовать этот метод для поиска недостающих барионов. В 2020 году команда, включавшая Маккуинна, провела первую крупную проверку этой теории. Проанализировав меру дисперсии 13 реальных FRB, они подтвердили, что барионы действительно составляют примерно 5% от общей массы и энергии Вселенной, тем самым подтвердив модель Лямбда-CDM и доказав, что FRB могут служить надежным инструментом для их поиска.
Дальнейшие исследования позволили уточнить местоположение этой материи. Лиам Коннор и его сотрудники использовали данные FRB для оценки распределения барионов. Их расчеты показали, что примерно 76% всей барионной материи находится в разреженном пространстве между галактиками, образуя то, что они назвали «барионовой космической паутиной». Остальные 24% барионов, соответственно, должны находиться в других структурах Вселенной.
Создание точной карты распределения барионов имеет фундаментальное значение для науки. Это необходимо для построения более точных моделей формирования и эволюции галактик, эволюции звезд и распределения химических элементов, а также для понимания механизмов саморегуляции сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.
На данный момент, несмотря на наблюдение нескольких тысяч FRB, лишь около 50 из них удалось точно отследить до их родных галактик. Однако астрономы готовятся к масштабному скачку. Цель состоит в том, чтобы локализовать сотни или тысячи FRB для создания статистически значимой карты. Маниша Калеб описывает конечную цель как создание «полноценной 3D-карты распределения барионов по всей Вселенной», которую она называет «барионовой Google Картой».
Для достижения этой цели реализуются новые масштабные проекты. Эксперимент CHIME расширяется за счет трех новых телескопов, расположенных на разных континентах, для улучшения возможностей локализации источников. В Неваде строится массив Deep Synoptic Array 2000 (DSA-2000), который будет иметь почти в 20 раз больше антенн, чем его предшественник Deep Synoptic Array-110. Ожидается, что после полного ввода в эксплуатацию эти новые инструменты смогут совместно обнаруживать и локализовывать источники более 10 000 быстрых радиовсплесков в год.
Изображение носит иллюстративный характер
В 1990-х годах стандартная космологическая модель Лямбда-CDM предсказала, что барионная материя — обычное вещество, состоящее из протонов и нейтронов, из которого состоят звезды, планеты и мы сами — должна составлять около 5% от общей массы и энергии Вселенной. Однако наблюдения могли обнаружить лишь около 70% от этого расчетного количества. Этот разрыв стал известен как «проблема недостающих барионов». Астрофизик Сиднейского университета Маниша Калеб называет это «космической бухгалтерской задачей».
Ученые предполагали, что недостающая материя существует в виде так называемой «тепло-горячей межгалактической среды» (WHIM) — разреженных и раскаленных нитей плазмы, протянувшихся между галактиками. Проблема заключалась в том, что эта среда практически невидима, так как излучает очень мало света. По словам Маниши Калеб, попытка ее наблюдать — «все равно что пытаться увидеть туман в темноте». Неспособность найти эту материю вызывала серьезное беспокойство. Астрофизик из Гарвардского университета Лиам Коннор заявлял, что «досадно и неловко терять большую часть обычной материи». Теоретический космолог Техасского университета в Остине Джулиан Муньос предупреждал, что если материя не будет найдена, «это будет означать, что в наших моделях» космической истории есть ошибка.
Решение пришло из неожиданного источника — от быстрых радиовсплесков. Это чрезвычайно мощные вспышки радиоволн, которые за долю секунды высвобождают больше энергии, чем Солнце за несколько дней. Большинство из них длится около миллисекунды. Первый такой всплеск был идентифицирован в 2007 году астрономом из Университета Западной Вирджинии Дунканом Лоримером при анализе архивных данных телескопа, записанных еще в 2001 году. Тот всплеск длился менее 5 миллисекунд.
Основная теория происхождения FRB связывает их с молодыми магнетарами — сверхплотными и сильно намагниченными ядрами массивных звезд. Однако открытие, сделанное Шах, указывает на возможность их возникновения от старых магнетаров или от слияния старых звезд. Ключевое свойство FRB заключается в том, что при прохождении через космос их радиоволны заметно замедляются и рассеиваются барионной материей, но при этом совершенно не взаимодействуют с темной материей. Этот эффект, называемый «мерой дисперсии», позволяет точно рассчитать количество обычного вещества на пути сигнала.
В 2013 году Мэттью Маккуинн из Вашингтонского университета в журнале The Astrophysical Journal Letters предложил использовать этот метод для поиска недостающих барионов. В 2020 году команда, включавшая Маккуинна, провела первую крупную проверку этой теории. Проанализировав меру дисперсии 13 реальных FRB, они подтвердили, что барионы действительно составляют примерно 5% от общей массы и энергии Вселенной, тем самым подтвердив модель Лямбда-CDM и доказав, что FRB могут служить надежным инструментом для их поиска.
Дальнейшие исследования позволили уточнить местоположение этой материи. Лиам Коннор и его сотрудники использовали данные FRB для оценки распределения барионов. Их расчеты показали, что примерно 76% всей барионной материи находится в разреженном пространстве между галактиками, образуя то, что они назвали «барионовой космической паутиной». Остальные 24% барионов, соответственно, должны находиться в других структурах Вселенной.
Создание точной карты распределения барионов имеет фундаментальное значение для науки. Это необходимо для построения более точных моделей формирования и эволюции галактик, эволюции звезд и распределения химических элементов, а также для понимания механизмов саморегуляции сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.
На данный момент, несмотря на наблюдение нескольких тысяч FRB, лишь около 50 из них удалось точно отследить до их родных галактик. Однако астрономы готовятся к масштабному скачку. Цель состоит в том, чтобы локализовать сотни или тысячи FRB для создания статистически значимой карты. Маниша Калеб описывает конечную цель как создание «полноценной 3D-карты распределения барионов по всей Вселенной», которую она называет «барионовой Google Картой».
Для достижения этой цели реализуются новые масштабные проекты. Эксперимент CHIME расширяется за счет трех новых телескопов, расположенных на разных континентах, для улучшения возможностей локализации источников. В Неваде строится массив Deep Synoptic Array 2000 (DSA-2000), который будет иметь почти в 20 раз больше антенн, чем его предшественник Deep Synoptic Array-110. Ожидается, что после полного ввода в эксплуатацию эти новые инструменты смогут совместно обнаруживать и локализовывать источники более 10 000 быстрых радиовсплесков в год.
