Где је нестала обична материја универзума – имају ли астрономи напокон одговор

Тамна материја и тамна енергија чине већи део универзума. Тамна материја је, како наводи НАСА, загонетна супстанца која обликује космос, док је тамна енергија сила која убрзава ширење универзума.

Немогуће их је директно посматрати, али се могу детектовати због њихових гравитационих ефеката.

Али остатак универзума је састављен од космичких бариона, то јест обичне материје, која се може наћи у ситним честицама које се називају протони и неутрони.

„Све звезде, планете и хладни гас које видите својим телескопима, заједно чине  мање од 10 одсто обичне материје у универзуму“, каже Лијам Конор, ванредни професор астрономије на Универзитету Харвард.

Иако су астрономи мислили да већи део обичне материје универзума плута између галаксија, у такозваном међугалактичком простору, или унутар проширених галактичких халоа – огромних, сферних региона који укључују звезде и врући гас – нису могли да утврде њене размере.

То је зато што обична материја емитује светлост на различитим таласним дужинама, али је велики део те светлости толико дифузан да је то као да покушавате да уочите маглу, наводе астрономи.

Немогућност детекције отприлике половине обичне материје космоса довела је до вишедеценијског космолошког сукоба мишљења названог Проблем несталих бариона.

Сада су професор Конор и његове колеге директно посматрали обичну материју користећи брзе радио-експлозије како би у суштини мапирали оно што се раније није могло видети. Своје налазе су објединили у новој студији објављеној у стручном часопису Nature Astronomy.

„Брзе радио-експлозије сијају и тако се пробијају кроз маглу међугалактичког простора. Прецизним мерењем како светлост успорава, можемо да измеримо ту маглу, чак и када је превише слаба да би се видела“, истакао је професор Конор, вођа ауторског тима. Велики део рада на студији обављен је док је Конор био истраживачки асистент на Калифорнијском институту технологије.

Астрономи верују да ће у будућности моћи да користе брзе радио-експлозије како би осветлили иначе невидљиву структуру универзума.

Трепераво светло као путказ

Више од хиљаду брзих радио-експлозија (fast radio bursts – FRBs) детектовано је након њиховог открића 2007. године. За само стотинак је утврђен правац односно галаксија одакле су стигли, наводе аутори студије. Астрономи још не могу са сигурношћу да кажу који су узроци тих експлозија, али проналажење већег броја могло би открити њихово нејасно порекло.

Да би расветлила мистерију недостајуће материје, нова анализа ослањала се на спој претходно примећених брзих радио-експлозија, као и на бљескове који нису примећени пре истраживања. Током студије испитано је 69 брзих радио-експлозија које се налазе на удаљеностима од 11,74 милиона до скоро 9,1 милијарду светлосних година од Земље.

Најдаљи, назван FRB 20230521B, откривен је током истраживања и тренутни је рекордер по удаљености од нас.

Стручни тим је користио Deep Synoptic Array (Дубоки синоптички низ), мрежу од 110 радио-телкоскопа, да би пронашао и идентификовао 39 брзих радио-експлозија у студији.

Телескопи, дизајнирани да прате FRBs до њихових тачака порекла, налазе се у близини Бишопа, градића у америчкој савезној држави Калифорнији, у Радио-опсерваторији „Овенс Вали“ при Калифрнијском технолошком институту – Калтеку.

Опсерваторија В. М. Кек на Хавајима и опсерваторија Паломар близу Сан Дијега помогле су у мерењу удаљености између брзих радио-експлозија и Земље. Преосталих 30 брзих радио-експлозија открили су аустралијски телескоп Square Kilometer Array Pathfinder и други телескопи широм света.

Када радио-таласи путују као брзе радио-експлозије ка Земљи, њихова светлост се може мерити у различитим таласним дужинама. Колико се светлост шири зависи од тога колико материје се налази на њеном путу.

Научници су били у могућности да измере колико је сваки сигнал брзе радио-експлозије успорио док је пролазио кроз свемир пре него што је стигао до Земље, осветљавајући гасовите средине на које је наишао успут.

Брзина FRBs може бити под утицајем онога кроз шта путују, што значи да различите таласне дужине светлости стижу у различито време. Док дуге, црвене таласне дужине путују спорије до Земље, краће, плавље таласне дужине стижу брже. Свака таласна дужина је омогућила астрономима да измере невидљиву материју.

„Кратки импулси брзих радио-експлозија су кључни за ово мерење јер делују као трепћући космички светионици. Можемо веома прецизно да измеримо колико је радио-импулс успорен при различитим таласним дужинама (то се назива дисперзија плазме), и ово ефикасно броји све барионе. За звезду која континуирано сија или извор који није радио-таласни, не можемо да измеримо овај ефекат 'дисперзије'. То мора бити импулсни, кратак и радио-таласни сигнал“, објаснио је професор Конор.

Стручни тим успео је да користи дисперзију светлости за мапирање и мерење материје дуж путање брзих радио-експлозија.

„Као да видимо сенку свих бариона, са FRB-овима као позадинским осветљењем. Ако видите особу испред себе, можете много тога сазнати о њој. Али ако видите само њену сенку, ипак можете да знате да је тамо и колико је отприлике велика“, навео је у саопштењу коаутор студије Викрам Рави, ванредни професор астрономије на Калтеку.

Након што су мапирали све брзе радио-експлозије и материју кроз коју су прошле и осветлили је, тим је утврдио да 76 одсто космичке материје постоји у виду врућег гаса ниске густине у простору између галаксија. Још 15 одсто се може наћи у галактичким халоима, док се остатак налази унутар самих галаксија у виду звезда, планета или хладног гаса.

Кључни космолошки алат

Налази засновани на посматрању поклапају се са претходним предвиђањима направљеним коришћењем симулација, истичу аутори студије.

Вилијам Х. Кини, професор физике на Колеџу уметности и наука Универзитета у Бафалу, сагласио се са колегама.

„Дакле, крајњи резултат је да су смислили нови начин проналажења бариона за које смо знали да морају бити тамо, али да ли су они заиста у међугалактичком прстору уместо у халоима, и даље је било отворено питање“, рекао је Кини, који није био укључен у истраживање.

„Деценијама стар Проблем несталих бариона никада се није односио на то да ли материја постоји. Одувек је било питање – где је? Сада, захваљујући FRB-овима, знамо: три четвртине плута између галаксија у космичкој мрежи“, закључио је професор Конор.

Разумевање расподеле обичне материје може помоћи истраживачима да схвате како галаксије расту и еволуирају.

„Барионе гравитација увлачи у галаксије, али супермасивне црне рупе и звезде које експлодирају могу их одувати назад – попут космичког термостата који хлади ствари ако температура постане превисока. Наши резултати показују да ова повратна спрега мора бити ефикасна, избацујући гас из галаксија у међуалактички простор“, наглаио је професор Конор.

Брзе радио-експлозије такође могу помоћи у детаљном мапирању космичке мреже, указао је Рави.
Ова структура, како описује НАСА, углавном је направљена од тамне материје, а служи као кичма универзума.

Калтек тренутно планира да изгради још један радио-телескоп у пустињи Невади, чиме би могли да се допуне налази нове студије јер би могло да се пронађе и прати и до 10.000 брзих радио-експлозија годишње, најавио је Конор.

„То је тријумф модерне астрономије. Почињемо да видимо структуру и састав универзума у ​​потпуно новом светлу захваљујући FRB-овима. Ови кратки бљескови нам омогућавају да пратимо иначе невидљиву материју која испуњава огромне просторе између галаксија“, поручио је Рави.