В поисках материи, скрывающей свой блеск

Если материя видима, это не значит, что её легко увидеть

Исследования космоса показывают, что большая часть материи, составляющей Вселенную, представляет собой тёмную материю — так её называют потому, что она не излучает и не отражает свет. Но даже обычную материю, из которой состоит все, что мы видим, бывает трудно обнаружить.

«Если вы смотрите в оптический телескоп, то видите лишь крошечную часть всей материи», — говорит Эммануэль Шаан, физик из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики.

Некоторая материя, например, пыль и газ на самых краях галактики или скопления галактик, не излучает никакого собственного света, и на неё попадает очень мало света. Напротив, другая материя находится слишком близко к источникам света, чтобы её можно было увидеть. Свет материи, находящейся вблизи центров галактик и скоплений галактик, скрыт за более ярким светом других объектов, таких как звезды.

В результате лишь небольшой процент того, что считается видимой материей, действительно виден. «Обычная материя составляет всего 5% от общей энергии во Вселенной, — говорит Шаан, — и если вы посмотрите на звезды внутри галактик, то увидите только 5-10% обычной материи».

Обнаружение скрытой обычной материи, также называемой барионной материей, станет все более важным в ближайшие годы, говорит Шаан. «Если мы не знаем, где находятся барионы, то мы не сможем правильно проанализировать точные данные таких экспериментов, как LSST», «Легаси-обзор пространства и времени» обсерватории Рубина. Данные этих экспериментов «содержат много ценной информации, которая поможет нам узнать о тёмной энергии, тёмной материи, инфляции и нейтрино — но если мы не сможем правильно смоделировать их, нам придётся просто выбросить эти данные».

К счастью, астрофизики привыкли искать то, чего они не видят. Так же, как они используют различные методы для изучения распределения тёмной материи во Вселенной, они нашли способы оценивать и распределение обычной материи.

Недостающая материя и космическая засветка

У космологов есть несколько способов подсчитать, сколько обычной материи есть во Вселенной. Один из способов — посмотреть на относительное количество водорода, дейтерия, гелия и других лёгких элементов и изотопов, которые существуют сегодня. Согласно теории нуклеосинтеза Большого взрыва, эти соотношения зависят от количества барионов во Вселенной, поэтому физики могут использовать их для вывода о количестве обычной материи.

Независимую оценку даёт реликтовое излучение (РИ) — самый старый свет во Вселенной. Этот свет остался с тех времён, когда Вселенная остывала от чрезвычайно горячей плазмы, состоящей из электронов, протонов и нейтронов, превращаясь в более обычную смесь водорода и гелия. Крошечные изменения в реликтовом излучении показывают, как эта материя перемещалась и сгущалась в самой ранней Вселенной. На основании этих наблюдений исследователи могут сделать вывод о составе обычной и тёмной материи.

В любом случае, физики пришли к выводу, что около 16% материи во Вселенной — обычная, а остальное — тёмная материя.

Однако, когда физики составили каталог всей обычной материи, которую они смогли найти, в пыли, газе и звёздах в галактиках, они смогли учесть лишь чуть больше половины того, что, согласно другим измерениям, должно быть там, говорит Шаан. Учёные назвали это проблемой недостающих барионов.

В последнее десятилетие исследователи обнаружили, что большая часть недостающей материи зародилась в галактических центрах и была выброшена на границы галактик бурными явлениями – а именно, сверхновые и активные галактические ядра, что позволило некоторым объявить проблему недостающих барионов решённой.

Тем не менее, исследователи, такие как Шаан, хотят знать больше о том, как именно эта материя распределена в галактиках и вокруг них. Отчасти это делается для лучшего понимания галактической астрофизики как таковой, но также и потому, что понимание того, где находится материя и как она туда попала, поможет проанализировать данные экспериментов, которые пытаются составить карту тёмной материи и тёмной энергии (это телескоп имени Веры Рубин и др.).

Чтобы разобраться с оставшейся частью обычной материи, Шаан и его коллеги, включая Стефанию Амодео, Симоне Ферраро и Николаса Батталья, а также другие команды занялись поиском «теней». Используя РИ в качестве подсветки, они ищут своего рода галактический водяной знак – эффект, в котором тепло и движение пыли и газа на краях галактик усиливают энергию свечения РИ. Эти эффекты, известные под общим названием эффекты Сюняева-Зельдовича, могут показать, где находятся пыль и газ, а также их позволить измерить их скорость и энергию, что даёт новые важные сведения о том, как они туда попали.

Шаан говорит, что некоторые виды СЗ-эффекта уже достаточно хорошо измерены — в частности, тот, который показывает, насколько быстро движутся пыль и газ, — но другие остаются неуловимыми. Есть надежда, что благодаря таким экспериментам, как Атакамский космологический телескоп, собирающим все больше данных о РИ, исследователи наконец-то смогут получить хорошее представление о материи, окружающей галактики. «Я думаю, что всё это по-настоящему раскрутится в ближайшие несколько лет», — говорит Шаан.

Рентгеновское просвечивание Вселенной

Хотя подход с использованием космической подсветки должен хорошо работать при составлении карт материи на краях галактик, у него есть существенный недостаток: астрофизики все ещё хотят составить карту распределения материи ближе к центрам галактик и галактических скоплений, но в этих местах свет от звёзд и других источников будет забивать РИ.

Альтернативный вариант, говорит физик из SLAC Стивен Аллен, — искать рентгеновские лучи, испускаемые барионной материей. Хотя галактические процессы могут сдуть часть этой материи, значительное количество остаётся — и оно становится очень горячим. В больших скоплениях галактик, объясняет Аллен, температура газа может достигать десятков миллионов градусов, и в таких условиях газ испускает много рентгеновских лучей.

Картирование распределения материи в этих горячих зонах даёт учёным возможность проверить свои предположения о том, как формируются и развиваются галактики и скопления галактик.

По словам Аллена, температура и распределение вещества, обнаруженные с помощью рентгеновских лучей, в основном соответствуют идее о том, что вещество разрушается и нагревается под действием силы тяжести. Но группа Аллена и другие рентгеновские астрономы обнаружили, что нагрев происходит сильнее, чем физики ожидали бы от одного лишь гравитационного коллапса, и этот нагрев, похоже, обеспечили активные галактические ядра.

Группа Аллена также изучила другой способ использования рентгеновских данных — рентгеновскую спектроскопию. Этот метод позволяет выявить химический состав, который снова указывает на то, что материя взрывалась мощнее и раньше, чем предполагали учёные. «[Активные галактические ядра] должны были передать газу огромное количество энергии, и это должно было произойти относительно рано», — говорит Аллен.

Если исследователи не до конца понимают формирование и эволюцию галактик, то предположения, которые космологи делают о галактиках, могут быть неверными и могут исказить модели перемещения материи по Вселенной в процессе её эволюции. Это, в свою очередь, может повлиять на понимание космологами природы тёмной материи и тёмной энергии, что может отразиться на исследованиях астрофизиков по формированию и эволюции галактик. «Одного без другого не достичь», — говорит Аллен.

Исследования, подобные тому, над которым работает Аллена, могут помочь разобраться в этом вопросе. Рассматривая рентгеновские лучи от галактик и скоплений галактик на разных расстояниях, исследователи могут проследить, как эти объекты эволюционировали с течением времени. Поскольку расстояние является косвенным показателем того, как давно был испущен свет, который мы видим, это может помочь астрофизикам построить лучшие модели галактик, которые, в свою очередь, помогут космологам улучшить свои модели Вселенной.

Осмысление данных

По словам Чихуэя Чанга, астрофизика и космолога из Чикагского университета, бывшего студента SLAC и Стэнфордского университета, по мере того как исследователи собирают все более подробные данные о том, что находится во Вселенной, теоретические модели должны меняться и идти в ногу со временем. Ведь новая информация ценна лишь настолько, насколько учёные способны её усвоить.

В качестве примера Чанг приводит проект Dark Energy Survey, цель которого — определить, насколько быстро расширялась Вселенная с течением времени. «По мере того, как мы начали анализировать все больше и больше данных из DES, мы получаем всё более интересные данные с очень высоким соотношением сигнал/шум, но мы не можем использовать их все, потому что наше теоретическое понимание на малых масштабах недостаточно хорошее».

По этой причине учёные работают над созданием лучших моделей астрофизических процессов, считающихся мелкомасштабными (по сравнению с размером Вселенной), таких как активные галактические ядра, выбрасывающие материю к галактическим краям, говорит Чанг.

Это может помочь исследователям лучше понять некоторые текущие противоречия в космологии — например, измерения на основе РИ показывают, что материя несколько более склонна к кластеризации, чем следует из измерений слабого гравитационного линзирования (эффекта, при котором гравитационное воздействие материи изгибает свет). Или это может открыть совершенно новую физику, о которой исследователи ещё не думали.

Несмотря на трудности, это захватывающее время для данной области, говорит Аньес Ферте, космолог из SLAC. «Ещё несколько лет назад самая точная информация о космологии поступала из реликтового излучения».

По мере того, как исследователи добавляли данные о кластеризации галактик и различных разновидностях гравитационного линзирования, они узнавали все больше и больше о структуре и истории Вселенной.

Добавление более совершённых моделей астрофизических явлений меньшего масштаба должно способствовать дальнейшему прогрессу, говорит Ферте, особенно с появлением ещё более детальных исследований, проводимых обсерваторией Рубина и спутником «Евклид» Европейского космического агентства. Возможно, говорит она, исследователи даже смогут провести более точные тесты самой теории гравитации или, наконец, раскрыть природу тёмной материи и тёмной энергии.

«Я очень взволнована, — говорит Ферте. — Я думаю, что мы обязательно откроем что-то новое».