Астрономы обнаружили "недостающую материю" Вселенной

Что послужило причиной Большого взрыва? Какой Вселенная была до него? В каком смысле здесь вообще можно употреблять слово "до"? Лучше всего на вопросы отвечает теория инфляции. Есть у нее и наблюдательные подтверждения - детали распределения реликтового излучения, измеренные аппаратом WMAP, совпадают с предсказаниями теории. Но все же это трудная для исследований область, на самых границах возможностей современной науки, пишут "Вести" со ссылкой на работы ученых, опубликованные на сайте препринтов arXiv.

НОВОСТИНаука и образование

Ученые разгадали загадку колоссальной температуры солнечной короны

В самом начале расширения Вселенная была невероятно горячей и плотной. Такие состояния недостижимы в эксперименте, даже рекордам Большого адронного коллайдера до них далеко. О поведении материи в этих условиях можно судить только на уровне теоретических соображений. Но по мере того, как пространство расширялось, вещество и энергия распределялись по все большему и большему объему. Не прошло и триллионных долей секунды, как температура и плотность упали до значений, для которых законы физики хорошо изучены и проверены.

Именно поэтому теория Большого взрыва изобилует расчетами, какая Вселенная должна получиться в итоге. Очень важно, что многие из этих расчетов были выполнены до того, как стало известно, что Вселенная и впрямь именно такая.

Самый ранний и известный пример этого – реликтовое излучение, которое сначала было предсказано нашим соотечественником Георгием Гамовым, а потом открыто наблюдателями. Причем оказалось, что оно обладает в точности предсказанными характеристиками (это подтвердили и гораздо более поздние наблюдения). Но вообще-то таких примеров очень много.

Это значит, что модель Большого взрыва обладает главным качеством успешной научной теории. Она не только объясняет уже известные факты, но и верно предсказывает еще не известные. Именно это - ключевой признак, отличающий научные теории от философских измышлений.

Но есть у модели Большого взрыва предсказание, доставляющее ученым немало хлопот. Расчеты ядерных реакций, которые должны были происходить в ранней Вселенной, проведенные еще 25 лет назад, показывают, сколько сейчас должно быть протонов и нейтронов в обозримой части космоса.

Проблема в том, что наблюдаемое вещество, включая звезды, межзвездный газ и всякие экзотические объекты вроде черных дыр, обеспечивает лишь около 10% этого количества. Темная материя тоже не спасает дело - она, по-видимому, состоит не из атомных ядер с электронами, а из неких экзотических частиц.

НОВОСТИНаука и образование

Дыра размером с американский штат Мэн появилась во льдах Антарктиды

Что это означает? Что в теорию придется вносить изменения? Возможно. Но не следует торопиться с выводами.

Дело в том, что отнюдь не каждый существующий во Вселенной объект легко увидеть. Например, нейтронные звезды почти не излучают видимого света и были открыты как природные радиомаяки. Черные дыры звездной массы обнаруживаются только как источники гравитационных волн. Их сверхмассивные собратья наблюдаются как активные ядра галактик и квазары, но лишь когда вокруг них достаточно вещества. Иначе их не видно, во всяком случае, пока такой монстр не разорвет звезду. Средств наблюдать черные дыры промежуточной массы у нас практически нет вообще.

Так что же представляет собой эта недостающая материя? Моделирование показывает, что она должна быть крайне разрежённым газом температурой от ста тысяч до десяти миллионов градусов. Этот газ должен образовывать нити, протянувшиеся между галактиками на десятки миллионов световых лет.

Обнаружить такое вещество почти невозможно. Чтобы быть заметным в телескопы, работающие с какими бы то ни было диапазонами, оно должно быть или гораздо плотнее, или гораздо горячее. Чтобы воздействовать на галактики своей гравитацией, ему опять-таки не хватает плотности.

Но астрономы славятся своим умением находить самые невероятные способы вытаскивать информацию из наблюдательных данных. Подобные нити уже были обнаружены несколько лет назад с использованием света квазара.

В этот раз исследователям помог эффект Сюняева – Зельдовича. Между прочим, в связи с открытием этого эффекта эксперты называли Рашида Алиевича Сюняева одним из потенциальных нобелевских лауреатов текущего года, но в итоге премию вручили за открытие гравитационных волн.

Явление заключается в том, что на интенсивность реликтового излучения влияют электроны межзвездного и межгалактического газа. А где электроны, там и атомные ядра, ведь газ в целом нейтрален. Таким образом, наблюдая реликтовый фон, можно оценить, сколько вещества в темных безднах между галактиками.

В реальности все далеко не так просто. Но недавно сразу две группы исследователей - команда Анны де Графф из Эдинбургского университета и коллектив Хидэки Танимуры из Университета Британской Колумбии - сообщили, что им удалось обнаружить загадочные нити.

Оба коллектива использовали данные по реликтовому излучению, полученные аппаратом Planck. По следам воздействия электронов на эти древние радиоволны исследователи искали волокна газа, соединяющие галактики. Команда Танимуры изучила 260 тысяч пар галактик, а команда де Графф - целый миллион.

Обе группы обнаружили, что нити существуют и они в несколько раз плотнее фонового межгалактического газа. У коллектива де Графф получилось, что в среднем в шесть раз, а у команды Танимуры - что в три раза. Разница между этими значениями может объясняться тем, что усреднение проводилось по разным выборкам, ведь плотность нити зависит от расстояния между галактиками.

По оценкам группы де Графф, этих наблюдений достаточно, чтобы вкупе с обычным видимым веществом обеспечить 30% нужной плотности атомных ядер. Откуда взять еще 70%, пока остается загадкой. Возможно, нужны более чувствительные наблюдения, которые обнаружат менее плотные нити. Или же недостающая материя существует еще в какой-либо форме.

Кстати, открытие темной энергии, составляющей около 70% всей энергии Вселенной, состоялось всего лишь 20 лет назад.