Czegoś nam brakuje. I dużo.
Kosmolodzy wiedzą o tym od dawna. Obliczenia matematyczne mówią, że zwykłej materii powinno być więcej. Ten sam, z którego tworzą się gwiazdy, planety i Ty razem z nami. Ale kiedy patrzymy na galaktyki, liczby nie sumują się. Widzimy tylko około jednej dziesiątej tego, co przewiduje model Wielkiego Wybuchu.
Przez dziesięciolecia uważano, że wszystko jest proste: reszta sprawy została ukryta. Prawdopodobnie unosi się w pustych pustkach pomiędzy galaktykami. Rzadki. Niewidzialny. Prawie niewykrywalny.
Jeszcze nie.
Nowe badanie podważa pogląd o lokalizacji brakującej materii galaktycznej. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i partnerzy CHIME/FRB w końcu go odkryli. Okazało się, że droga tej sprawy była bardzo gwałtowna.
Jak szybko impulsy radiowe obrazują niewidzialną materię
Problemem nie były najlepsze teleskopy. Była w „hałasie”.
Naukowcy wykorzystali szybkie impulsy radiowe (FRB). Zjawiska te odkryto w 2007 roku. Są to milisekundowe rozbłyski fal radiowych. Niesamowicie jasny. Pochodzą z odległości miliardów lat świetlnych. Podróżując na Ziemię, przechodzą przez gaz międzygalaktyczny. Materia „rozmywa” sygnał, rozciągając go w czasie.
Pomyśl o tym jak o kosmicznym promieniowaniu rentgenowskim.
„Zaczynają się jako bardzo szybki błysk” – wyjaśnia Haocheng Wang, absolwent Instytutu Kavli na MIT. „Gdy przechodzą przez materię, rozmywają się”. Mierzymy ten stopień rozmycia z dużą precyzją.”
Stopień rozmycia jest wprost proporcjonalny do ilości substancji w ścieżce sygnału. Im silniejsze rozmycie, tym większa masa.
Aby dokładnie określić, gdzie znajduje się ta materia, zespół połączył dane z dwóch ogromnych źródeł: kanadyjskiego eksperymentu mapowania intensywności wodoru (CHIME) i instrumentu spektroskopowego ciemnej energii (DESI). Porównali tysiące sygnałów FRB z milionami współrzędnych galaktyk.
Czy sygnał wewnątrz galaktyk był zamazany? Albo pomiędzy nimi?
Odpowiedź zmieniła wszystko.
Dlaczego czarne dziury są bardziej gwałtowne, niż nam się wydawało
Brakująca materia faktycznie znajduje się pomiędzy galaktykami. Ale nie tam, gdzie się spodziewaliśmy.
Symulacje przewidywały, że gaz będzie stosunkowo blisko – kilkaset tysięcy lat świetlnych od centrum galaktyki. Być może nawet do miliona lat świetlnych.
Nowe dane pokazują, że chmury gazu rozciągają się aż na 4 miliony lat świetlnych.
To daleko. Bardzo daleko.
Jeśli delikatnie kopniesz piłkę, potoczy się. Wysłanie go na orbitę wymaga dużej siły. Sprawa ta nie została po prostu odsunięta na dalszy plan. Została rzucona.
Kiyoshi Masui, profesor fizyki w MIT, ujął to bez ogródek: aktywność gwiazd i dżety z czarnych dziur są „znacznie bardziej gwałtowne, niż oczekiwano”.
Konsekwencje tego odkrycia są oczywiste.
- Dżety czarnej dziury uderzają mocniej.
- Wybuchy supernowych jeszcze bardziej rozpraszają materię.
- Galaktyki tracą materię w przestrzeń kosmiczną w tempie sprzecznym z obecnymi symulacjami.
Wszechświat ma więcej energii, niż pozwalają na to nasze modele.
Która metoda w końcu rozwiązuje zagadkę zwykłej materii
Nie chodzi tylko o znalezienie brakujących elementów. Chodzi o metodę.
Wykorzystanie FRB jako sond do poszukiwania brakującej materii galaktycznej było przełomem. Wcześniej gaz był zbyt rzadki, aby można go było zauważyć. Efekt rozmycia zapewnia teraz jasne kryterium pomiaru.
Wyniki opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters potwierdzają dwa fakty.
- Istnieje zwykła materia. Nie zniknęła. Została po prostu przesiedlona.
- Mechanizmy, które go wypierają, są silniejsze, niż bierze to pod uwagę współczesna fizyka.
Dziewiętnaście procent Wszechświata (według niektórych szacunków nawet 17-19%) powinno stanowić materia zwykła. W granicach galaktyk uwzględniliśmy tylko część tego tomu. Reszta jest tam, w głębokiej ciemności. Zmiecione przez siły, które dopiero zaczynamy mierzyć.
CHIME w dalszym ciągu gromadzi dane. Odkrywane są nowe FRB. Mapa staje się coraz wyraźniejsza.
Pozostaje jednak pytanie: jeśli galaktyki tracą tak dużo energii i materii, jaki to ma wpływ na strukturę kosmicznej sieci?
Być może będziemy musieli napisać na nowo zasady ewolucji galaktycznej. Jeszcze raz.
