Тайна «недостающей» материи: где прячется половина атомов Вселенной? 0:03
Астрономы на протяжении многих лет сталкивались с фундаментальной проблемой, ставившей под сомнение наше понимание физики Большого взрыва: во Вселенной отсутствовало до половины всей обычной материи. Однако недавние исследования, использующие сложные методы анализа космического микроволнового фона, возможно, наконец-то раскрыли местонахождение этих неуловимых частиц, подтверждая точность существующих космологических моделей.
Что мы знаем о составе космоса? 0:29
Наблюдаемая Вселенная наполнена сотнями миллиардов галактик, каждая из которых содержит неисчислимое количество звезд. Свет этих звезд позволяет нам оценивать массу видимых объектов. Тем не менее, обычная материя — то, что составляет звезды, планеты, газ, пыль и самих людей, — представляет лишь малую часть энергетического бюджета Вселенной.
- Темная энергия: Около 70% энергии Вселенной; она обладает антигравитационными свойствами и ускоряет расширение космоса.
- Темная материя: Около 25% энергии (или 80% массы); взаимодействует только через гравитацию и удерживает галактики вместе.
- Барионная (обычная) материя: Около 5% общего состава; именно она составляет основу атомов.
Проблема заключается в том, что, суммируя массу всех наблюдаемых звезд и галактик, астрономы обнаруживают лишь 10% от всей предполагаемой барионной материи. Остальные 90% остаются столь же скрытыми, как темная материя.
Теоретические расчеты против реальности 2:54
Теории Большого взрыва предсказывают гораздо большее количество барионной материи, чем мы видим в телескопы. Ученые используют два основных метода для оценки того, сколько «обычного» вещества должно существовать:
- Первичный нуклеосинтез: Спустя несколько минут после Большого взрыва водород начал превращаться в дейтерий и гелий. Скорость этого процесса зависела от плотности водорода. Анализируя нынешние пропорции этих элементов, исследователи приходят к выводу, что изначально водорода должно было быть в 10 раз больше, чем мы видим сейчас в галактиках.
- Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФ): Это свет, высвободившийся примерно через 400 000 лет после начала времен. Флуктуации плотности в этом излучении показывают, как барионы и фотоны взаимодействовали в ранней Вселенной.
Анализируя спектр мощности КМФ, ученые видят барионные акустические осцилляции — своего рода звуковые волны в плотной плазме ранней Вселенной. Эти данные убедительно доказывают: барионов должно быть значительно больше, чем обнаруживают текущие обзоры галактик.
В поисках пропавших барионов: гигантские нити 6:01
По мнению ученых, недостающая материя находится в виде чрезвычайно разреженной плазмы в пространстве между галактиками. Однако ее поиск затруднен:
- Рентгеновское излучение: Видимо только внутри плотных скоплений галактик, где плазма достаточно горячая и плотная.
- Абсорбционные линии: Встречаются, если газ достаточно холодный, чтобы поглощать свет далеких квазаров.
Проблема в том, что «пропавшая» материя, вероятно, имеет промежуточную температуру. Она слишком горячая, чтобы поглощать свет, и слишком разреженная, чтобы испускать интенсивные рентгеновские лучи.
Идеальным местом для её скрытия стали гигантские нити космической паутины, соединяющие скопления галактик. В этих структурах, растянувшихся на десятки миллионов световых лет, барионы разогреваются до сотен тысяч или миллионов кельвинов из-за гравитационных воздействий соседних галактик. Несмотря на низкую плотность — всего в 10 раз выше межгалактического вакуума, — огромный объем этих нитей позволяет им содержать больше массы, чем все звезды во всех галактиках вместе взятые.
Решающее доказательство: эффект Сюняева — Зельдовича 8:14
Для обнаружения этой разреженной плазмы две независимые группы исследователей применили эффект Сюняева — Зельдовича. Суть метода заключается в следующем:
- Фотоны космического микроволнового излучения, проходя через горячую плазму в нитях, получают «энергетический импульс» от электронов.
- Из-за этого рассеяния КМФ в областях между галактиками становится чуть «горячее».
- Обе группы ученых (команды под руководством Грэппа и Танимуры) использовали данные спутника Planck для анализа областей между парами массивных галактик.
Исследователи объединили данные сотен тысяч и даже миллиона пар галактик, чтобы статистически выделить этот крайне слабый сигнал. Обе команды подтвердили обнаружение эффекта с достоверностью около пяти сигм. Это означает, что барионы найдены: в нитях действительно содержится достаточно горячей разреженной плазмы, чтобы закрыть «пробел» в космологических моделях.
Это открытие приносит огромное облегчение физикам, ведь если бы прогнозы относительно барионной материи оказались неверными, это поставило бы под удар всё наше понимание физики Большого взрыва.
