Найдена недостающая половина обычной материи. Она скрывалась в «раздутых» галактиках

В космологическом масштабе это все равно что найти пропажу, завалившуюся за диванные подушки — то самое место, которое стоило бы проверить в первую очередь, но куда вы почему-то не заглянули.

Современная космология сосредоточена на поиске того, что, мы уверены, существует, но чего мы не можем найти или объяснить: темной энергии, темной материи и «недостающей материи». И вот теперь большая группа ученых заявляет, что им удалось обнаружить последнюю.

Хотя поиски недостающей материи не привлекали и близко столько ресурсов и внимания, сколько поиски первых двух, найти ее по идее должно быть проще, поэтому продолжающиеся неудачи были бы особенно досадны. Следовательно, если эта работа — которой еще предстоит пройти рецензирование — выдержит научную проверку, это станет своего рода облегчением.

Недостающая материя отличается от темной тем, что состоит из тех же частиц, что и мы с вами, и все нам знакомое. Считается, что это преимущественно водород — такой же, как два из трех атомов в молекулах воды в наших телах. Однако, когда мы наблюдаем ближайшую Вселенную, мы видим там меньше этой обычной материи, чем в более удаленных ее уголках.

Это наводит на мысль, что когда-то за последние примерно 14 миллиардов лет около половины обычной материи, образовавшейся при Большом взрыве, куда-то «пропала» — ее стало трудно обнаружить. Можно было бы придумать маловероятные объяснения — например, что недостающая материя была поглощена или преобразована во что-то иное — но мало кто из физиков дошел до такого отчаяния. Вместо этого они предположили, что материя просто скрывается там, где нам ее трудно разглядеть. И, похоже, они оказались правы.

Наиболее популярное объяснение заключалось в том, что она присутствует в виде обширных низкоплотных облаков ионизированного газа. Ионизированный водород очень трудно обнаружить, особенно при низкой плотности. Конечно, при таких условиях эти облака должны быть невероятно огромными, чтобы содержать всю недостающую массу, но именно они считались главным «подозреваемым».

Новые измерения вокруг галактик, проведенные группой из 75 ученых, похоже, подтверждают эту гипотезу: газ был обнаружен в пять раз дальше от галактических центров, чем предполагалось до того, как сама проблема недостающей материи заставила пересмотреть ожидания. Пятикратное увеличение радиуса означает 125-кратное увеличение объема, так что газ действительно может иметь очень низкую плотность и все равно обладать огромной массой.

«Мы полагаем, что по мере удаления от галактики мы найдем весь недостающий газ», — говорится в заявлении доктора Боряны Хаджийской из Калифорнийского университета в Беркли. Тем не менее, обнаружение части недостающей материи не означает, что команда нашла ее всю. «Чтобы быть точнее, нам нужно провести тщательный анализ с использованием симуляций, чего мы еще не сделали. Мы хотим выполнить эту работу аккуратно», — добавила Хаджийска.

Тем не менее, доктор Симона Ферраро отметила: «Измерения, безусловно, согласуются с обнаружением всего газа».

Помимо удовлетворения от вероятного решения загадки, работа, по-видимому, раскрывает новые подробности об активности сверхмассивных черных дыр (СМЧД) в центрах галактик, указывая на то, что они могут быть активнее, чем считалось ранее.

Считается, что ионизированный газ достигает таких огромных расстояний, будучи выброшенным СМЧД галактики. Обнаруженные дистанции требуют либо наличия иного механизма выброса, либо неожиданно высокой активности СМЧД. Авторы в настоящее время склоняются ко второму варианту и полагают, что цикл активности центров галактик, управляемый СМЧД, сложнее, чем считалось ранее. Эту гипотезу подкрепляют свидетельства того, что газовое гало состоит из волокон (филаментов), а не распределено равномерно.

Команда искала недостающую материю, накладывая друг на друга (суммируя) изображения около 7 миллионов красных галактик в пределах 8 миллиардов световых лет от Земли и анализируя искажения реликтового излучения (космического микроволнового фона).

Ионизированный водород слишком тусклый и разреженный, чтобы его можно было обнаружить традиционными методами, но он все же рассеивает микроволновый фон. Сравнение интенсивности рассеяния вблизи галактик и в пространстве между ними выявляет присутствие газа. В отличие от других методов, на этот подход не влияет температура газа — только его количество.

«Реликтовое излучение — это фон для всего, что мы видим во Вселенной. Это граница наблюдаемой Вселенной, — пояснила Ферраро. — Поэтому его можно использовать как подсветку, чтобы увидеть, где находится газ». Красные галактики — это объекты на поздних стадиях эволюции, уже прошедшие этап бурного звездообразования. Считается, что их СМЧД обычно «спят», поэтому их и выбрали для исследования. Однако это представление, возможно, придется пересмотреть.

Понимание распределения недостающей (обычной) материи может стать ступенькой к разгадке тайны темной материи, чья гравитация должна влиять на рассеивание газа. Однако пока что выводы команды этому противоречат. Напротив, газ, по-видимому, простирается далеко за пределы той области, где наблюдается гравитационное влияние темной материи.

Исследование было отправлено в Physical Review Letters и доступно на ArXiv.org , пока проходит рецензирование.

Мы на Дзен