W latach 60. astronomowie zaczęli zauważać, że wszechświatowi brakuje jakiejś masy. Między ciągłymi obserwacjami kosmosu a Teorią Ogólnej Teorii Względności ustalili, że duża część masy we Wszechświecie musiała być niewidoczna. Ale nawet po włączeniu tej „ciemnej materii” astronomowie nadal mogą stanowić jedynie około dwóch trzecich całej widzialnej (czyli barionowej) materii.
Dało to początek temu, co astrofizycy nazwali „brakującym problemem barionowym”. Ale w końcu naukowcy odkryli ostatnią brakującą normalną materię we Wszechświecie. Według najnowszych badań przeprowadzonych przez zespół międzynarodowych naukowców, ta brakująca materia składa się z włókien silnie zjonizowanego gazowego tlenu, które znajdują się w przestrzeni między galaktykami.
Badanie, zatytułowane „Obserwacje brakujących barionów w ciepłym i gorącym ośrodku międzygalaktycznym”, niedawno ukazało się w czasopiśmie naukowym Natura. Badanie było prowadzone przez Fabrizio Nicastro, badacza z Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) w Rzymie, i obejmowało członków z SRON Netherlands Institute for Space Research, Harvard – Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Instituto de Astronomia Universidad Nacional Autonoma de Mexico, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Instituto de Astrofísica de La Plata (IALP-UNLP) i wiele uniwersytetów.
Na potrzeby badań zespół sprawdził dane z szeregu instrumentów, aby zbadać przestrzeń w pobliżu kwazara o nazwie 1ES 1553. Kwazary to niezwykle masywne galaktyki z aktywnymi jądrami galaktycznymi (AGN), które emitują ogromne ilości energii. Energia ta jest wynikiem gromadzenia się gazu i pyłu na supermasywnych czarnych dziurach (SMBH) w środku ich galaktyk, co powoduje, że czarne dziury emitują promieniowanie i strumienie przegrzanych cząstek.
W przeszłości badacze uważali, że z normalnej materii we Wszechświecie około 10% było związane w galaktykach, podczas gdy 60% istniało w rozproszonych chmurach gazu wypełniających ogromne przestrzenie między galaktykami. Pozostało to jednak 30% normalnej materii nieuwzględnionej. Badanie, które było zwieńczeniem 20-letnich poszukiwań, miało na celu ustalenie, czy ostatnie bariony można znaleźć również w przestrzeni międzygalaktycznej.
Teorię tę zasugerował Charles Danforth, pracownik naukowy w CU Boulder i współautor tego badania, w artykule z 2012 r. The Astrophysical Journal - zatytułowany „Spis barytonowy w wielofazowym ośrodku międzygalaktycznym: 30% barytonów może być nadal brakujących”. W nim Danforth zasugerował, że brakujące bariony prawdopodobnie zostaną znalezione w gorącym i gorącym ośrodku międzygalaktycznym (WHIM), podobnym do sieci wzorem w przestrzeni kosmicznej, który istnieje między galaktykami.
Jak wskazał Michael Shull - profesor nauk astrofizycznych i planetarnych na University of Colorado Boulder i jeden ze współautorów badania - ten dziki teren wydawał się idealnym miejscem do patrzenia. „W tym miejscu natura stała się bardzo przewrotna ," powiedział. „To międzygalaktyczne medium zawiera włókna gazu w temperaturach od kilku tysięcy stopni do kilku milionów stopni”.
Aby przetestować tę teorię, zespół wykorzystał dane z spektrografu Cosmic Origins Spectrograph (COS) w Kosmicznym Teleskopie Hubble'a, aby zbadać WHIM w pobliżu kwazara 1ES 1553. Następnie użyli rentgenowskiej misji Multi-Mirror Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) ( XMM-Newton), aby przyjrzeć się bliżej oznakom barionów, które pojawiły się w postaci wysoko zjonizowanych strumieni tlenu gazowego podgrzanego do temperatury około 1 miliona ° C (1,8 miliona ° F).
Po pierwsze, naukowcy wykorzystali COS w Kosmicznym Teleskopie Hubble'a, aby dowiedzieć się, gdzie mogą znaleźć brakujące bariony w WHIM. Następnie osiedlili się na tych barionach za pomocą satelity XMM-Newton. Przy zarejestrowanych gęstościach zespół doszedł do wniosku, że po ekstrapolacji na cały Wszechświat ten superjonizowany tlenowy gaz może stanowić ostatnie 30% zwykłej materii.
Jak wskazał prof. Shull, wyniki te nie tylko rozwiązują zagadkę brakujących barionów, ale mogą także rzucić światło na początek wszechświata. „Jest to jeden z kluczowych filarów testowania teorii Wielkiego Wybuchu: ustalenie spisu barytonowego wodoru i helu oraz wszystkiego innego w układzie okresowym” - powiedział.
Patrząc w przyszłość, Shull wskazał, że naukowcy mają nadzieję potwierdzić swoje odkrycia, badając bardziej jasne kwazary. Shull i Danforth zbadają także, w jaki sposób gaz tlenowy dostał się do tych obszarów przestrzeni międzygalaktycznej, choć podejrzewają, że był tam wydmuchiwany w ciągu miliardów lat z galaktyk i kwazarów. Tymczasem pytanie, w jaki sposób „brakująca materia” stała się częścią WHIM, pozostaje kwestią otwartą. Jak zapytał Danforth:
„Jak wydostaje się z gwiazd i galaktyk aż do przestrzeni międzygalaktycznej ?. Między tymi dwoma regionami dzieje się coś w rodzaju ekologii, a szczegóły tego są słabo poznane ”.
Zakładając, że te wyniki są prawidłowe, naukowcy mogą teraz posunąć się naprzód z modelami kosmologii, w których uwzględniona jest cała niezbędna „normalna materia”, co zbliży nas do zrozumienia, w jaki sposób Wszechświat uformował się i ewoluował. Gdybyśmy tylko mogli znaleźć tę nieuchwytną ciemną materię i ciemną energię, mielibyśmy pełny obraz Wszechświata! Ach, jedna tajemnica na raz…
