Долгое время астрофизики сталкивались с парадоксом «пропавших барионов»: расчеты показывали, что на обычную материю должно приходиться около 5% массы Вселенной, однако наблюдения фиксировали лишь половину этого объема. Видео Veritasium рассказывает о том, как ученым удалось обнаружить эту скрытую материю, используя методы, напоминающие детектирование молний с другого конца планеты.
🌌 Загадка «пропавших» барионов 0:00
Большую часть Вселенной составляют темная материя и темная энергия (27% и 68% соответственно), но нас окружает обычная барионная материя — протоны и нейтроны, из которых состоят звезды, планеты и люди.
Ученые пришли к выводу, что барионы должны составлять 5% Вселенной, основываясь на данных о раннем этапе её существования. В первые 20 минут после Большого взрыва происходил синтез легких элементов, и пропорция дейтерия к водороду напрямую зависит от плотности барионной материи в ту эпоху. Позже, изучая реликтовое излучение (космический микроволновый фон), исследователи смогли точно подтвердить это соотношение. Однако перепись всех видимых объектов — звезд, галактик, газа и пыли — показала, что мы видим лишь около 20% от ожидаемого количества барионов.
🔭 Охота за невидимым газом 4:12
Первым шагом к поиску недостающей материи стало изучение нейтрального водорода вдоль линии обзора удаленных квазаров. Квазары выступают как сверхмощные «фонарики», свет которых, проходя через облака газа, поглощается ими.
- Этот процесс оставляет характерные «зубцы» в спектре излучения — так называемый «лес лайман-альфа».
- Этот метод позволил обнаружить часть недостающей материи, доведя общую сумму до 50% от прогнозируемого объема.
Остальная часть барионов, по мнению ученых, скрывается в виде разреженной ионизированной плазмы, заполняющей межгалактическое пространство. Эта среда, называемая «теплым горячим межгалактическим веществом» (WHIM — Warm Hot Intergalactic Medium), имеет температуру от 100 000 до 10 миллионов Кельвинов и практически не испускает видимого света.
⚡ Разгадка через «свистящие» радиосигналы 7:32
Прорыв в обнаружении WHIM произошел благодаря изучению быстрых радиовсплесков (FRB) — коротких, но невероятно мощных радиоимпульсов из глубокого космоса. Аналогия с детектированием молний здесь ключевая: когда радиоволны от молнии путешествуют сквозь магнитосферу Земли, они проходят через плазму со свободными электронами.
- Плазма вызывает дисперсию: низкие частоты замедляются сильнее, чем высокие.
- В результате радиосигнал растягивается во времени, превращаясь в специфический свистящий звук («вистлер»).
Изучая быстрые радиовсплески, астрономы применили тот же принцип. Исследование, опубликованное в журнале Nature, показало прямую зависимость: чем дальше находится источник радиовсплеска, тем сильнее диспергирован его сигнал, так как на пути ему встретилось больше свободных электронов (ионизированных барионов).
🧪 Триумф науки 11:01
Собрав данные по дисперсии множества радиовсплесков, астрономы смогли оценить общее количество ионизированных барионов в межгалактической среде. Оказалось, что они составляют недостающие 50% материи, что идеально совпало с компьютерными моделями развития Вселенной, созданными десятилетиями ранее.
Автор видео отмечает, что формирование сложных структур вроде галактик — крайне неэффективный процесс, так как большинство барионов так и остаются «рассеянными» в пространстве. Несмотря на радость от подтверждения теории, ученые, по словам ведущего, часто испытывают смешанные чувства: им интереснее найти то, что не укладывается в ожидания, так как именно аномалии ведут к открытию новой физики.
