Пропажа в космических масштабах

Представьте: вы пересчитываете всё, из чего состоит видимая Вселенная — звёзды, планеты, газ, пыль, — и вдруг понимаете, что девяти десятых просто нет. Не в том смысле, что они спрятаны в другом измерении, а в самом прямом: обычного вещества, из которого сделаны и мы с вами, и далёкие галактики, должно быть намного больше. Физики знали об этой нестыковке десятилетиями. Ещё в первые мгновения после Большого взрыва, по расчётам, около 17% массы Вселенной приходилось на «нормальную» барионную материю, а остальное — на тёмную. Но когда астрономы взялись суммировать всё, что видят в сегодняшнем космосе, получилась жалкая десятая часть от ожидаемого.

Куда делось остальное?

Гипотеза, конечно, была: недостающее вещество разбросано в межгалактическом пространстве, в пустотах между звёздными островами. Только вот оно настолько разрежено, что засечь его напрямую — всё равно что пытаться разглядеть пар от чашки чая на другом конце футбольного поля. А без прямых наблюдений гипотеза оставалась лишь изящной догадкой.

Космический сканер на быстрых всплесках

Теперь у учёных из коллаборации CHIME/FRB под руководством MIT появился метод, который превращает эту догадку в измеряемый факт. Ключом стали быстрые радиовсплески (FRB) — загадочные миллисекундные вспышки в радиодиапазоне, которые прилетают к нам из глубин космоса. Открытые лишь в 2007 году, они до сих пор во многом непонятны, но одно их свойство оказалось бесценным.

FRB — как космический рентгеновский снимок всего, что встретилось импульсу на пути. Когда короткий радиосигнал пробивается сквозь облака вещества, он «растягивается» во времени: низкие частоты прибывают чуть позже высоких. Величина этой задержки напрямую зависит от того, сколько материи встретил сигнал по дороге. Измеряя её с высокой точностью, можно буквально взвесить невидимое.

«FRB подходят для поиска пропавшего вещества из-за своей природы, — объясняет Хаочен Ван (Haochen Wang), один из авторов работы. — Они начинаются как чрезвычайно короткая вспышка, а проходя сквозь материю, растягиваются во времени. Мы можем очень точно измерить это растяжение, и оно прямо пропорционально количеству встреченного вещества».

Где именно прячется материя

Но одной лишь задержки сигнала недостаточно. Важно понять, где именно FRB «собрал» это вещество — внутри галактик или за их пределами. Для этого команда скрестила данные двух мощных инструментов. Канадский телескоп CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) регистрирует сами всплески и измеряет их растяжение. А спектроскопический обзор DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) даёт точные координаты миллионов галактик. Сопоставив тысячи FRB с картой галактик, учёные смогли разделить вклады: какая часть задержки вызвана веществом в галактиках, а какая — тем, что между ними.

Результат, опубликованный в Physical Review Letters 21 июля, оказался однозначным: пропавшая материя действительно находится в межгалактическом пространстве. Но не просто равномерно разлита — она образует гигантские облака, окутывающие галактики далеко за их видимыми границами.

И вот тут начинается самое интересное.

В четыре миллиона световых лет от «дома»

Типичная галактика простирается на сотни тысяч световых лет. А найденные облака вещества обнаружены на расстоянии до четырёх миллионов световых лет от неё. Это гораздо дальше, чем предсказывали компьютерные модели. «Мы нашли пропавшее вещество примерно в четырёх миллионах световых лет от галактик, — говорит Киёси Масуи (Kiyoshi Masui), соавтор исследования. — Это намного превышает прогнозы симуляций».

Такая дальность указывает на то, что процессы, выбрасывающие вещество из галактик, куда мощнее, чем считалось раньше. Речь идёт о джетах сверхмассивных чёрных дыр, взрывах сверхновых и других катаклизмах, которые буквально вышвыривают газ в межгалактическое пространство. И судя по масштабу облаков, эти выбросы гораздо более яростны и масштабны, чем предполагали астрофизики.

«Эти измерения показывают, что активность звёзд и чёрных дыр сильнее и неистовее, чем мы думали», — добавляет Масуи.

Что дальше

Это первый случай, когда метод FRB успешно применили для поиска скрытой барионной материи. И он будет только улучшаться. CHIME продолжает регистрировать всё новые всплески, а значит, статистика станет богаче, а карта невидимого вещества — точнее. «Мы впервые сделали это, — резюмирует Масуи, — и по мере улучшения качества данных будем делать всё более точно».

Пожалуй, самое интригующее здесь — не только то, что загадка полувековой давности наконец получила измеримое решение. А то, что мы, сами того не ожидая, получили инструмент для изучения самых буйных механизмов, которые галактики используют, чтобы разбрасывать своё вещество по Вселенной. И масштабы этой буйности, как выясняется, мы сильно недооценивали.

Представьте: вы смотрите в ночное небо, видите галактики, звезды, туманности. Но все это — лишь малая толика того, из чего на самом деле состоит Вселенная. Десятилетиями астрономы ломали голову над загадкой «недостающей материи». Обычное вещество — то самое, из которого сложены мы, планеты и звезды, — должно было присутствовать в гораздо больших количествах, чем удавалось засечь телескопами. Теперь, похоже, этот космический пазл наконец сложился.

Группа ученых из коллаборации CHIME/FRB под руководством Массачусетского технологического института нашла способ заглянуть в самые пустые, на первый взгляд, уголки мироздания. Их инструментом стали быстрые радиовсплески (FRB) — загадочные миллисекундные импульсы, приходящие из далеких галактик. Именно они помогли «подсветить» то, что так долго ускользало от наблюдателей.

Охота на невидимку

Долгое время считалось, что барионная (то есть обычная) материя в основном сосредоточена внутри галактик и в их ближайших окрестностях. Но подсчеты показывали, что значительная ее часть куда-то пропала. Новое исследование, опирающееся на данные радиотелескопа CHIME, показало: пропажа пряталась в межгалактическом пространстве, причем на огромных расстояниях от самих галактик — вплоть до четырех миллионов световых лет.

Как это работает? Когда быстрый радиовсплеск мчится сквозь космос, он проходит через облака разреженного газа. Вещество в этих облаках слегка «тормозит» разные частоты сигнала — эффект, известный как дисперсия. Чем больше материи встретилось на пути, тем сильнее размывается импульс. Анализируя сотни таких всплесков, ученые смогли составить карту распределения невидимого газа.

Космические фонтаны бьют сильнее

Открытие не только закрыло давний вопрос о «недостающей материи», но и заставило пересмотреть представления о мощи галактических процессов. Оказалось, что вещество выбрасывается из галактик гораздо дальше, чем предполагали модели. Речь идет о титанических джетах черных дыр, взрывах сверхновых и звездных ветрах, которые способны выталкивать газ на миллионы световых лет в межгалактическую пустоту.

Это ставит перед астрофизиками новые вопросы. Если выбросы столь энергичны, как они влияют на эволюцию самих галактик? Возможно, именно такие механизмы регулируют звездообразование, лишая галактики строительного материала. Кстати, мы уже рассказывали о том, как звёзды в хвостах галактик рождаются как в дисках — еще один пример того, что привычные границы галактик куда более размыты, чем казалось.

Метод, который изменит астрономию

Использование быстрых радиовсплесков для зондирования космоса — это не просто решение одной загадки. Это новый, мощный инструмент, который позволит изучать распределение материи в масштабах всей Вселенной. До сих пор астрономы были ограничены наблюдениями горячего газа в скоплениях галактик или линий поглощения в спектрах квазаров. FRB дают возможность «взвесить» космическую паутину там, где она слишком холодна и разрежена для других методов.

Сам телескоп CHIME, расположенный в Канаде, изначально проектировался для картирования водорода в ранней Вселенной, но его широкое поле зрения и высокая чувствительность сделали его идеальной машиной для ловли радиовсплесков. Теперь каждый зарегистрированный импульс — это не просто загадочный сигнал, а потенциальный зонд, прошивающий миллиарды световых лет.

Любопытно, что эта история перекликается с другим нашим материалом — о галактике Baby Boom, рождающей по 4000 звёзд в год. Там мы видели, как бурное звездообразование может истощить запасы газа в самой галактике. Теперь же выясняется, куда этот газ может деваться — его выбрасывает далеко за пределы звездного диска.

Что дальше?

Пока ученые проанализировали лишь небольшую выборку FRB, но с каждым годом их регистрируют все больше. Коллаборация CHIME/FRB продолжает наращивать каталог, и вскоре мы сможем построить трехмерную карту скрытой материи с беспрецедентной детализацией. Это, в свою очередь, поможет уточнить модели формирования крупномасштабной структуры Вселенной и понять, как галактики обмениваются веществом с окружающей средой.

Открытие также подчеркивает, насколько динамична та пустота, которую мы привыкли считать абсолютным ничто. Межгалактическое пространство оказывается ареной непрерывного круговорота: галактики вбирают газ из окружающих облаков, перерабатывают его в звезды, а затем выбрасывают обратно — в гораздо более разреженной и горячей форме. И быстрые радиовсплески, эти мимолетные космические маяки, помогают нам прочитать эту историю.