Астрономы десятилетиями ломали голову над загадкой, которую сама Вселенная, казалось, прятала у всех на виду. Согласно расчётам, сразу после Большого взрыва обычная, видимая материя — та самая, из которой состоят звёзды, планеты и мы с вами, — составляла около 17 процентов всей массы космоса. Остальное пришлось на неуловимую тёмную материю. Но когда учёные попытались сложить всё, что светится и поглощает свет в современной Вселенной — галактики, газовые облака, межзвёздную пыль, — выяснилось, что добрая половина этой обычной барионной материи куда-то исчезла. Её не могли найти ни в телескопы, ни в радиодиапазоне. И вот теперь, благодаря тысячам загадочных радиовсплесков, карта «пропавшего» вещества наконец начинает проступать — и выглядит она куда масштабнее, чем кто-либо предполагал.

Пропажа, которую предсказали, но не видели

Обычная материя во Вселенной почти целиком состоит из барионов — тяжёлых частиц вроде протонов и нейтронов, формирующих атомные ядра. Из них же слеплены все крупные структуры: от планет до гигантских скоплений галактик. Но когда астрофизики подсчитали общую массу всех видимых объектов, получилось лишь около десяти процентов от того количества барионной материи, которое существовало в ранней Вселенной. Куда делись остальные 90 процентов?

Гипотеза о «тёпло-горячей межгалактической среде» (Warm-Hot Intergalactic Medium, WHIM) появилась не вчера. Предполагалось, что недостающее вещество распределено в виде крайне разреженного газа, разогретого до миллионов градусов, но настолько рассеянного — примерно один протон на кубический метр, — что засечь его напрямую почти невозможно. Оно не светится, не образует плотных сгустков и ускользает от большинства инструментов. Нужен был принципиально иной метод, и его подарили быстрые радиовсплески.

Космические вспышки как зонды

Первый быстрый радиовсплеск (Fast Radio Burst, FRB) зарегистрировали в 2007 году — сверхкороткий, но чудовищно мощный импульс радиоизлучения, приходящий из далёких галактик. С тех пор их насчитали несколько тысяч, и почти все они рождаются за миллиарды световых лет от нас. Главное достоинство FRB для охоты на скрытую материю кроется в их физике: короткая вспышка, проходя сквозь космический газ, «размазывается» во времени. Высокоэнергетические синие волны опережают низкоэнергетические красные, и чем больше вещества встретилось на пути, тем сильнее эта задержка.

«Что делает FRB идеальным инструментом для поиска пропавшей материи, так это их особое свойство, — поясняет Хаочен Ван (Haochen Wang) из Массачусетского технологического института. — Они начинаются как очень короткая вспышка, а проходя сквозь вещество, растягиваются во времени. И мы можем измерить это растяжение с высокой точностью — оно прямо пропорционально количеству материи, которую всплеск преодолел».

Предыдущие работы уже подтвердили, что в межгалактическом пространстве действительно существуют разреженные облака барионного газа. Но группа Вана пошла дальше: вместо того чтобы просто констатировать наличие или отсутствие вещества вдоль луча зрения, они решили выяснить, как именно оно распределено вокруг галактик.

Сшивая карту из тысяч вспышек

Для построения карты исследователи из коллаборации CHIME/FRB взяли 2 870 сигналов из каталога канадского радиотелескопа CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment). Этот инструмент, расположенный в Британской Колумбии, сканирует северное небо в поисках ультракоротких радиовсплесков и уже обнаружил порядка 4 000 FRB. Каждый зарегистрированный импульс содержит информацию о задержке между разными длинами волн — и, следовательно, о количестве встреченного на пути вещества.

Затем эти данные сопоставили с позициями более чем шести миллионов галактик, полученными в ходе обзора DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) в Национальной обсерватории Китт-Пик. DESI измеряет спектры десятков миллионов галактик, чтобы изучать тёмную энергию, но для задачи Вана его каталог стал идеальной системой координат. Учёные искали корреляцию: насколько сильнее «размазываются» те FRB, чей луч прошёл вблизи известных галактик или их скоплений.

Результат оказался однозначным. Пропавшая барионная материя действительно группируется вокруг галактик, но вовсе не в виде компактной оболочки. Она формирует диффузное облако, простирающееся на колоссальные расстояния. «Размер типичной галактики — может быть, несколько сотен тысяч световых лет, а мы обнаружили недостающую материю вплоть до четырёх миллионов световых лет от неё, — отмечает Киёси Масуи (Kiyoshi Masui), участник исследования. — Это значительно дальше, чем предсказывали симуляции».

Галактики-фонтаны и буйство чёрных дыр

Такая протяжённость газовых ореолов заставила пересмотреть представления о том, насколько бурной может быть жизнь галактик. Данные указывают, что активность внутри них куда хаотичнее, чем считалось. Галактики напоминают гигантские фонтаны, выбрасывающие вещество далеко за свои видимые границы. Взрывы сверхновых, аккреция на сверхмассивные чёрные дыры и другие высокоэнергетические процессы буквально вышвыривают барионный газ в межгалактическое пространство.

«Мы находим пропавшую материю, которая была вытолкнута на гораздо большие масштабы, — говорит Масуи. — Эти измерения показывают, что звёздная активность и активность чёрных дыр мощнее и гораздо неистовее, чем предсказывалось». Иными словами, галактики не просто тихо сидят в своих газовых коконах — они активно перемешивают и рассеивают вещество, формируя ту самую «паутину» тёпло-горячей среды, которую теперь удалось картировать.

От радиовсплесков к пониманию эволюции

Практическая ценность метода выходит далеко за рамки решения одной астрофизической головоломки. «Мы не просто смотрим, связано ли это газ с галактикой или нет, — подчёркивает Ван. — Мы видим форму недостающей материи, окружающей галактики. Картируя эту форму, мы можем понять, как галактики формируются и как они взаимодействуют со своим окружением».

По сути, быстрые радиовсплески становятся новым классом космологических зондов. Каждый FRB, чей путь случайно пролёг сквозь окраины далёкой галактики, доставляет на Землю «слепок» распределения барионов вдоль луча зрения. Собирая тысячи таких срезов и накладывая их на трёхмерную карту галактик, астрономы шаг за шагом восстанавливают полную картину круговорота обычного вещества во Вселенной.

Исследователи уверены, что это только начало. CHIME и другие детекторы продолжают регистрировать всё новые всплески, и каждый из них добавляет деталей к портрету невидимого газа. «Нам впервые удалось заставить этот подход работать, — констатирует Масуи, — и с более качественными данными мы добьёмся гораздо большей точности».

Статья с результатами опубликована в журнале Physical Review Letters. Метод, впервые опробованный на почти трёх тысячах FRB, в ближайшие годы обещает превратиться в рутинный инструмент — и тогда загадка пропавших барионов, мучившая астрономов десятилетиями, окончательно перестанет быть загадкой. А заодно, возможно, поможет точнее понять, какую роль во всей этой динамике играет тёмная материя — невидимый каркас, вдоль которого, как мы уже рассказывали, порой выстраиваются целые цепочки галактик.

Остаётся лишь удивляться, насколько изящно природа подкинула решение: те самые вспышки, что когда-то казались лишь экзотической диковинкой далёкого космоса, оказались ключом к веществу, которое пряталось у нас перед глазами всё это время.