Астрономы, подсчитывая количество видимой материи в современной Вселенной (звезд, ядер галактик и межзвездного газа), с удивлением обнаружили, что общая масса вещества, образовавшегося в результате Большого взрыва 13,6 миллиарда лет назад, намного меньше ожидаемой. Более половины из тех 15% Вселенной, которые не относятся к темной материи и темной энергии, делись неизвестно куда.
Однако новые измерения, похоже, все-таки позволили свести дебет с кредитом и обнаружили эту недостачу в виде очень разреженного и невидимого ионизированного водорода, который образует ореол вокруг галактик.
Полученные результаты не только устраняют противоречие между астрономическими наблюдениями и наиболее достоверной моделью эволюции Вселенной, но и позволяют предположить, что массивные черные дыры в центрах галактик более активны, чем считалось ранее. Они выбрасывают газ примерно в пять раз дальше от центра галактики, чем считалось до сих пор.
Доктор Боряна Хаджийска из Калифорнийского университета в Беркли и первый автор исследования, считает, что достаточно отойти подальше от центра галактики, чтобы восстановить весь недостающий газ. Чтобы быть более точными, астрофизикам нужно провести тщательный анализ с помощью моделирования, чего еще не делалось ранее.
Результаты исследования, соавторами которого являются 75 ученых из институтов по всему миру, были представлены на недавних научных конференциях, опубликованы в виде препринта на arXiv и проходят экспертную оценку в журнале Physical Review Letters.
Галактическая комбинаторика
В то время, как все еще загадочные темная материя и темная энергия составляют основную массу — около 84% — вещества во Вселенной, остальная часть — это нормальная или барионная материя. Только около 7% обычной материи находится в звездах и прочих наблюдаемых объектах, в то время как остальная часть находится в форме невидимого газообразного водорода. По большей части ионизированного — в галактиках и нитях (филаментах), соединяющих системы в своего рода космическую сеть.
Ионизированный газ и связанные с ним электроны, образующие эту нитевидную сеть, называются «теплой межгалактической средой». Слово "теплая" не должно вводить в заблуждение. Среда слишком холодна и разрежена, чтобы ее можно было увидеть с помощью обычных методов, имеющихся в распоряжении астрономов, и поэтому до сих пор оставалась неуловимой.
В новой статье исследователи оценили распределение ионизированного водорода вокруг галактик, объединив изображения примерно 7 миллионов галактик, находящихся в пределах 8 миллиардов световых лет от Земли. Ученые измерили минимальные ослабления и усиления космического микроволнового фона, вызванные рассеянием излучения электронов в ионизированном газе. Это так называемый кинематический эффект Сюняева — Зельдовича, предсказанный советскими учеными еще в 1969 году.
Космическое микроволновое фоновое излучение находится позади всего, что мы видим во Вселенной. Это граница наблюдаемой Вселенной, поэтому его можно использовать в качестве своеобразной подсветки, чтобы увидеть, где находится газ.
Изображения галактик (все светящиеся в инфракрасном диапазоне галактики) были получены с помощью спектроскопического прибора для изучения темной энергии (DESI) на 4-метровом телескопе Майалл в Национальной обсерватории Китт-Пик в Тусоне, штат Аризона. Этот прибор, созданный в сотрудничестве с лабораторией Беркли, исследует десятки миллионов галактик и квазаров, чтобы составить трехмерную карту Вселенной на расстоянии до 11 миллиардов световых лет от Земли и измерить влияние темной энергии на расширение Вселенной.
Измерения реликтового микроволнового фона вокруг этих галактик были проведены с помощью телескопа Atacama Cosmology Telescope (ACT) в Чили, который до вывода из эксплуатации в 2022 году проводил самые точные на сегодняшний день измерения космического фона.
Галактическая обратная связь
Астрономы считали, что массивные черные дыры в центрах галактик выбрасывают газ в виде струй (джетов) только в период своего формирования, когда центральная черная дыра поглощает газ и звезды и генерирует много излучения. Астрономы называют их активными ядрами галактик (АЯГ), или квазарами.
Если, как предполагает новое исследование, гало из ионизированного водорода вокруг галактик более рассеянное, но при этом более обширное, чем считалось ранее, это означает, что центральные черные дыры могут оставаться активными и в другие периоды своей жизни. Ученые высказали гипотезу, что АЯГ периодически «включаются» и «выключаются» в некоем рабочем цикле.
Выброс газа и его последующий возврат в галактический диск называют обратной связью (feedback), которая регулирует образование новых звезд по всей галактике. Авторы сообщали о признаках более продолжительной обратной связи еще в предыдущей работе, опубликованной в 2020 году. В новой работе задействовано больше галактик, и результаты более точны. С помощью спектроскопического анализа DESI удалось изучить газ в более близких галактиках. Выяснилось, что ионизированный водород не распределен вокруг них равномерно, а следует за «космическими нитями», пронизывающими Вселенную.
Боряна Хаджийска отметила, что в современных симуляциях эволюции галактик необходимо учитывать эту более интенсивную обратную связь. Некоторые новые модели уже делают это, чтобы создавать более точные симуляции, лучше согласующиеся с обновляемыми данными. Выброс газа из ядер этих массивных галактик ставит под сомнение предположение о том, что газ следует за темной материей.
Недооценка этого выброса газа может привести к противоречиям в космологических моделях, в то время как новые результаты могут решить загадку неоднородности Вселенной. По словам Хаджийской, кинематический эффект Сюняева—Зельдовича также можно использовать для изучения ранней Вселенной.
Самый «примитивный» элемент периодической системы водород задает ученым загадки не только в космосе. Недавно мы рассказали, как ядерный квантовый эффект объяснил схожесть физических свойств обычной и дейтериевой воды.
