Астрономы напрямую увидели недостающую барионную материю Вселенной

F. Nicastro et al. / Nature

Группа астрономов под руководством Фабрицио Никастро показала, что в спектре излучения лацертиды 1ES 1553+113 возникают линии сильно ионизированного кислорода, характерные для сети межгалактического газа, в которой находится около половины барионного вещества Вселенной. До этого момента ученые не могли надежно доказать, что такие структуры действительно существуют. Статья опубликована в Nature, краткий обзор статьи можно найти в разделе News and Views.

Согласно современным представлениям, Вселенная более чем на 95 процентов состоит из темной материи и темной энергии, а на долю обычной, барионной материи (протоны, нейтроны) приходится всего около пяти процентов массы. Эти соотношения подтверждаются численными расчетами в рамках общепринятой модели ΛCDM (холодная темная материя) и полагаются на данные о спектре реликтового излучения, которые спутники Planck и WMAP собирали в 2001–2013 годах. Тем не менее, прямые наблюдения за галактиками приводят к несколько другому результату. Оказывается, что если сложить барионную материю всех известных галактик с красным смещением менее z < 2 (то есть возникших не раньше, чем через 3,3 миллиарда лет после Большого взрыва), то получившаяся масса будет составлять примерно 60 процентов от предсказанной теоретически массы. В то же время, для более древних галактик предсказания совпадают.

К счастью, ученые знают, где искать «потерявшуюся» материю. Модель ΛCDM предсказывает, что при красном смещении z ≈ 2 барионы из межгалактической среды, составлявшие около 40 процентов вещества, практически полностью собрались в нитеобразную структуру, соединяющие соседние галактики (filamentary web). В результате воздействия ударных волн газ в таких скоплениях постепенно обогатился тяжелыми элементами, ионизировался и разогрелся до температуры порядка 105—107 — из-за этого нити часто называют тепло-горячей межгалактической средой (WHIM). К сожалению, плотность газа в тепло-горячей межгалактической среде невероятно мала, а молекулы водорода — основной ее компонент — сильно ионизированы и практически не излучают свет. Поэтому увидеть «недостающее» вещество очень сложно. Пока еще астрономам так и не удалось подтвердить существование межгалактических нитей с достаточной степенью достоверности, хотя несколько свидетельств в их пользу было.

Группа ученых под руководством Фабрицио Никастро (Fabrizio Nicastro), кажется, впервые убедительно доказала, что межгалактические нити действительно существуют. Для этого астрономы проверили, как межзвездная среда искажает излучение лацертиды 1ES 1553+113, которая находится на расстоянии около 4,5 миллиардов световых лет от Земли (z > 0,4, точное расстояние неизвестно). Лацертиды — это мощные источники электромагнитного излучения, имеющие непрерывный спектр практически во всех диапазонах частот. Когда такое излучение проходит через газ, на нем остается «отпечаток» (спектр поглощения вещества), по которому можно точно установить химический состав газа и его расстояние до Земли. В то же время, в тепло-горячей межзвездной среде помимо водорода находится небольшое количество сильно ионизированного атомарного кислорода — если точнее, кислорода O VII, который напоминает строением своих электронных оболочек гелий и которого практически нет в галактиках. Поэтому по характерным «отпечаткам» такого кислорода можно проверить, проходило излучение через межгалактические нити или нет.

Измерив спектр излучения 1ES 1553+113 с помощью рентгеновского телескопа XMM-Newton, ученые обнаружили, что в нем действительно возникает две серии линий, которые можно приписать кислороду O VII, находящемуся на расстоянии около 4,6 и 4,0 миллиардов световых лет (красные смещения z1 ≈ 0,43 и z2 ≈ 0,36 соответственно). Достоверность измерений при этом составила примерно 4σ в обоих случаях, то есть вероятность ошибки детектирования менее 6×10−5. Чтобы достичь такой высокой точности, астрономам пришлось непрерывно наблюдать за лацертидой более 1,75 миллиона секунд, то есть почти три недели.


Таким образом, наблюдения за спектром лацертиды показали, что на красных смещениях около z1 ≈ 0,43 и z2 ≈ 0,36 должна находиться тепло-горячая межзвездная среда, в которой собрана недостающая барионная материя Вселенной — согласно расчетам ученых, измеренная интенсивность поглощения указывает на то, что в ней находится от 9 до 40 процентов всей материи. Кроме того, прямые измерения подтверждаются рядом косвенных признаков. Например, на тех же красных смещениях наблюдается повышенная концентрация галактик, предположительно находящихся на концах нитей. Также в их окрестности наблюдаются области с высокой концентрацией водорода, которые могут принадлежать межгалактическим нитям.


Стоит отметить, что области с сильно ионизированным кислородом O VII могут возникать не только в тепло-горячей межзвездной среде, но и в галактиках. Тем не менее, в этом случае в спектре также должны присутствовать линии поглощения холодных ионов, встречающихся в галактиках гораздо чаще. Авторы статьи подчеркивают, что они такие линии не регистрировали.

В октябре прошлого года сразу две группы астрономов независимо сообщили о регистрации недостающей барионной материи в филаментах с помощью эффекта Сюняева-Зельдовича. Заключается этот эффект в следующем: когда фотоны реликтового излучения рассеиваются на горячих электронах межзвездного газа, они теряют энергию, и в результате спектр излучения немного изменяется. Следовательно, измеряя спектр реликтового излучения, приходящего из разных точек неба, можно судить о концентрации газа, через который им пришлось пройти. Если же сравнить полученную картину с известным распределением галактик, можно рассчитать, как много газа находится в филаментах, ускользающих от прямых наблюдений. Подобный анализ ученые выполнили примерно для миллиона галактик, что позволило им подтвердить с достоверностью около 5σ, что недостающая материя действительно находится в филаментах. Тем не менее, на данный момент статьи все еще проходят проверку в рецензируемых журналах, а потому существуют только в виде препринтов — в прошлом уже поступали ложные сообщения об обнаружении недостающей барионной материи, и редакторы журналов не хотят ошибаться.

В феврале 2016 года группа астрономов под руководством Эвана Кина смогла увидеть недостающую барионную материю, связав данные быстрого радиовсплеска с его источником — далекой эллиптической галактикой. Этот способ очень сильно похож на подход группы Фабрицио Никастро. Одновременно с этой статьей вышла другая работа, в которой астрофизики из Австрии, Германии и США показали, что недостающую барионную материя может находиться не в филаментах, а в джетах сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.