Открита е липсващата половина от водороден газ във Вселената. Първи автор на статията е българка

По преценката на астрономите за количеството на цялата нормална материя – звезди, галактики и газ – във Вселената днес, са излезли смущаващо малко от общата материя, произведена при Големия взрив преди 13,6 милиарда години. Всъщност повече от половината нормална материя – половината от 15% от материята на Вселената, която не е тъмна материя – не може да бъде отчетена от светещите звезди и газа, които виждаме.

Първи автор на статията, докладваща откритията, е нашата сънародничка Боряна Хаджийска, постдокторант в Калифорнийския университет, Бъркли. Резултатите от изследването, в съавторство на 75 учени от институции по целия свят, са представени на скорошни научни срещи, публикувани като предпечат на arXiv и са подложени на партньорска проверка в списание Physical Review Letters. 

Новите измервания обаче изглежда са открили тази липсваща материя под формата на много дифузен и невидим йонизиран водороден газ, който образува ореол около галактиките и е по-издут и обширен, отколкото са смятали досега астрономите.

Констатациите не само отслабват противоречието между астрономическите наблюдения и най-добрия, доказан модел на еволюцията на Вселената след Големия взрив, но също така предполагат, че масивните черни дупки в центровете на галактиките са по-активни, отколкото се смяташе досега, изхвърляйки газ много по-далеч от галактическия център, отколкото се очакваше - около пет пъти по-далеч, установи екипът.

"Смятаме, че след като се отдалечим от галактиката, ще намерим целия липсващ газ", коментира Боряна Хаджийска. "За да бъдем по-точни, трябва да направим внимателен анализ със симулации, което не сме направили. Искаме да свършим внимателно работата си."

Измерванията на изследователите съответстват на намирането на всичкия газ.

Намеци за този обширен йонизиран водороден ореол се виждат в анализи, публикувани преди три години, на Симоне Фераро (Simone Ferraro), старши учен в Националната лаборатория на Лорънс Бъркли (Berkeley Lab) и в Калифорнийския университет, Бъркли. 

Хаджийска и Фераро са изследователи в Центъра за космологична физика Бъркли в Катедрата по физика на Калифорнийския университет в Бъркли, както и в лабораторията Бъркли.

За да открият слабия сигнал на йонизиран водороден газ около много ярки червени галактики, изследователите подреждат изображения на повече от милион галактики една върху друга. Тези четири кадъра са галактически купове на различни разстояния от Земята, показващи само електромагнитния честотен диапазон, засегнат от разсейване на електрони (кинематичен ефект на Суняев-Зелдович). Сините и зелените цветове представляват минимални температурни колебания в радиацията на космическия микровълнов фон (CMB). Жълтият център показва CMB светлината, разпръсната от обширната обвивка на водородния газ, която заобикаля тези галактики. Във видимата светлина галактиките ще изглеждат като няколко пиксела в центъра на жълтото петно. Кредит:  Boryana Hadzhiyska and Simone Ferraro, with data from DESI and ACT; Hadzhiyska et al

Подреждане на галактики

Докато все още загадъчната тъмна материя (и енергия) съставлява по-голямата част - около 84% - от материята във Вселената, останалата част е нормална материя. Само около 7% от нормалната материя е под формата на звезди, докато останалата част е под формата на невидим водороден газ - повечето от него йонизиран - в галактиките и нишките, които свързват галактиките в космическа мрежа.

Йонизираният газ и свързаните с него електрони, нанизани в тази мрежа от нишки, се наричат ​​топло-гореща междугалактическа среда, която е твърде студена и твърде дифузна, за да се види с обичайните техники на разположение на астрономите, и следователно остава неуловим досега.

В новата статия изследователите оценяват разпределението на йонизиран водород около галактиките чрез подреждане на изображения на приблизително 7 милиона галактики - всички в рамките на около 8 милиарда светлинни години от Земята - и измерване на лекото затъмняване или осветяване на космическия микровълнов фон, причинено от разсейване на радиацията от електрони в йонизирания газ, така нареченият кинематичен ефект на Суняев-Зелдович - фино изкривяване на космическото микровълново фоново лъчение, дължащо се на разсейване от горещи електрони в газа на клъстера.

"Космическият микровълнов фон е в задната част на всичко, което виждаме във Вселената. Това е ръбът на видимата вселена", обяснява Фераро. "Така че може да се използва като подсветка, за да се види къде е газът."

Използваните изображения на галактики – всички светещи червени галактики – са събрани от спектроскопичния инструмент за тъмна енергия (DESI) на 4-метровия телескоп Mayall в Националната обсерватория Kitt Peak в Тусон, Аризона. Инструментът, създаден от сътрудничество със седалище в лабораторията Бъркли, изследва десетки милиони галактики и квазари, за да изгради 3D карта, обхващаща Вселената до 11 милиарда светлинни години от Земята, за да измери ефекта на тъмната енергия върху разширяването на Вселената.

Измерванията на космическия микровълнов фон (CMB - cosmic microwave background) около тези галактики са направени от космологичния телескоп "Атакама" (ACT - Atacama Cosmology Telescope) в Чили, който е направил най-точните досега измервания на CMB, преди да бъде изведен от експлоатация през 2022 г.

Анализът е направен в сътрудничество с Бернардита Рид Гуачала (Bernardita Ried Guachalla), аспирант в Станфордския университет; Еманюел Шаан (Emmanuel Schaan), научен сътрудник в Националната ускорителна лаборатория SLAC в Менло Парк, участвал в предишното изследване на Фераро; и екипите на DESI и ACT.

Карта на космическото микровълново фоново лъчение, получена от космологичния телескоп Атакама. Двата кръга подчертават петна, където йонизираният водороден газ е разпръснал радиацията, оставяйки подпис, който може да се използва за оценка на количеството газ около галактиките. Кредит: ACT; Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2017). DOI: 10.1088/1475-7516/2017/06/031

Галактическа обратна връзка

Астрономите обикновено смятат, че масивните черни дупки в центровете на галактиките изхвърлят газ в струи материал само през годините на тяхното формиране, когато централната черна дупка поглъща газ и звезди и произвежда много радиация - т. нар. ​​активни галактически ядра (AGN) или квазари.

Ако, както предполага новото изследване, йонизираният водороден ореол около галактиките е по-дифузен, но и по-обширен, отколкото се смята, това означава, че централните черни дупки може да бъдат активни в други моменти от живота си.

"Един проблем, който не разбираме, е за AGN и една от хипотезите е, че те се включват и изключват от време на време в своя "работен цикъл"", отбелязва Хаджийска.

Астрономите наричат ​​изхвърлянето на газ и последващото му падане обратно в галактическия диск обратна връзка, която регулира образуването на нови звезди в цялата галактика. Фераро и неговите колеги съобщават за намеци за по-разширена обратна връзка в предишна работа през 2020 г. 

Но новата работа включва повече галактики и произвежда по-прецизно измерване. Последвалата работа на Рид Гуачала потвърждава откритията със спектроскопската проба DESI и успява да изследва газа в повече близки галактики, подчертавайки, че газът не е разпределен равномерно около тях, а следва "космическите нишки", които проникват във Вселената.

Хаджийска отбелязва, че настоящите симулации на еволюцията на галактиките ще трябва да включат тази по-високоенергийна обратна връзка в своите модели. Някои нови модели вече го правят, за да произвеждат по-силни симулации в по-добро съответствие с новите данни.

Идентифицирането на липсващата материя или бариони във Вселената също има значение за други аспекти на космическата еволюция.

"Да знаем къде е газът се превърна в един от най-сериозните ограничаващи фактори в опитите да извадим космологията от настоящите и бъдещи проучвания. Сблъскахме се с тази стена и това е подходящият момент да отговорим на тези въпроси", коментира Фераро. "След като разберем къде е газът, можем да попитаме: "Какви са последствията за космологичните проблеми?""

Колаборацията DESI изработи най-голямата 3D карта на нашата вселена до момента и я използва за изследване на тъмната енергия. В тази визуализация Земята е в центъра и всяка точка е галактика. Кредит: DESI collaboration and KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor

От една страна, изхвърлянето на газ от ядрата на тези масивни галактики оспорва предположението, че газът следва тъмната материя, коментира Хаджийска. Подценяването на това изхвърляне на газ може да въведе несъответствия в космологичните модели, докато новите резултати могат действително да разрешат някои въпроси относно това колко тромава е Вселената.

"Има огромен брой хора, които се интересуват от използването на нашите измервания, за да направят много задълбочен анализ, който включва този газ", съобщава Хаджийска. "Хората в астрономията се интересуват много от това, за да разберат образуването и еволюцията на галактиките."

Техниката, използвана от екипа, кинематичният ефект на Суняев-Зелдович, също може да се използва за изследване на ранната вселена, обяснява Хаджийска. Това може да даде представа за широкомащабната структура на Вселената и законите на физиката в ранната вселена и да позволи на учените да тестват гравитацията и Общата теория на относителността.

Справка: B. Hadzhiyska et al, Evidence for large baryonic feedback at low and intermediate redshifts from kinematic Sunyaev-Zel'dovich observations with ACT and DESI photometric galaxies, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2407.07152

Източник: Half of the universe's hydrogen gas, long unaccounted for, has been found, Robert Sanders, University of California - Berkeley

Още по темата

06/10/2021

Космос

Част от липсващата материя на Вселената е намерена с помощта на "Много големия телескоп"

03/07/2019

Космос

Приключи ХXI национален конкурс „Космосът – настояще и бъдещена човечеството”

11/10/2018

Космос

Загадъчните радиоимпулси ще разкрият липсващата материя във Вселената (видео)

10/10/2017

Космос

Половината от липсващата материя на Вселената току-що се намери