Астрономи десятиліттями шукали відповіді на просте питання: куди подівся великий шматок нормальної матерії? Нова карта галактичного газу вказує на чорні діри, які виштовхують цю відсутню матерію дуже далеко від дому.
Команда поєднала два космічні підсвічування, щоб відстежувати як невидимий газ, так і загальну масу, яка його утримує. У новому препринті дослідники використали дані з мільйонів галактик, щоб порівняти, де затримується газ, а де домінує темна матерія.
Де ховається відсутня матерія
Звичайна матерія, яку також називають баріонною матерією, складається з зірок і планет і включає знайомі нам протони, нейтрони та електрони. Однак лише близько 7 відсотків цієї матерії знаходиться в зірках, тоді як решта розсіюється у вигляді тьмяного газу. Провідний автор дослідження Боряна Хаджійська працює в Каліфорнійському університеті в Берклі та Національній лабораторії імені Лоуренса в Берклі (LBL). Її група поставила собі за мету відстежувати цей дифузний газ, не покладаючись на його слабке світіння.
Як було знайдено зниклу речовину
Космічний мікрохвильовий фон (CMB), слабке післясвічення Великого вибуху, яке заповнює простір майже однорідним випромінюванням, діє як підсвічування для Всесвіту. Метод, який називається гравітаційним лінзуванням, використовує той факт, що світло заломлюється масивними об’єктами у Всесвіті, такими як галактики.
Гравітаційне лінзування вимірює, як фонове випромінювання викривляється масою між нами та раннім Всесвітом, даючи незалежну карту маси з вимірюванням 43 сигма. Сам газ залишає інший знак. Кінематичний ефект Сюняєва-Зельдовича вимірює незначне зміщення температури космічного фону, спричинене рухом електронів у галактичному газі. Цей метод аналізує крихітні температурні зрушення у фоновому світлі та їх чутливість до загальної кількості вільних електронів.
Галактики походять з груп DESI, дані для яких були отримані за допомогою приладу для спектроскопії темної енергії. Цей проект каталогізує як світні червоні галактики, так і зразок яскравої галактики, отриманий за допомогою ширококутних зображень.
Газ, що оточує галактики
Біля центру частка газу падає значно нижче середнього космічного показника, що вказує на потужний зворотний зв’язок, який виштовхує газ у безмежний космос. Аналіз показав середні маси гало цих галактик. Це загальна маса, включаючи темну матерію, яка оточує галактику.
Результати показали середню масу гало близько 10 ^13 сонячних мас, що свідчить про те, що газ простягається далі від галактик, ніж передбачає профіль темної матерії. На більших радіусах частка газу зростає до очікуваного універсального значення. Ця закономірність означає, що газ не втрачався, а був витіснений на околиці, де його важко побачити безпосередньо.
Еволюція галактик та матерії
Команда також порівняла ці вимірювання з найсучаснішими симуляціями, які імітують еволюцію галактик та матерії. Вони виявили, що симуляції, як правило, передбачають занадто багато газу всередині гало для цих мас, що перевищує 4 сигма в кількох інтервалах.
Ця невідповідність підсилює аргументи на користь сильнішого зворотного зв’язку, ніж зазвичай передбачається в сучасних моделях. Це також зменшує джерело упередженості, коли космологи використовують дрібномасштабні структури для перевірки фундаментальної фізики.
Як чорні діри штовхають газ
Якщо газ більш розтягнутий, ніж очікувалося, щось має його рухати. Дані вказують на відтоки, що зумовлені надмасивними чорними дірами в галактичних центрах, також відомими як активні ядра галактик. Це області, де центральна чорна діра живить і вивільняє інтенсивну енергію.
«Ми вважаємо, що як тільки ми відійдемо далі від галактики, ми відновимо весь відсутній газ», – сказала Хаджійська.
Чорні діри не обов’язково повинні бути надзвичайно яскравими, щоб мати значення. Навіть періодична активність може перемішувати та викидати газ, що ускладнює його охолодження та формування нових зірок.
Вирівнюючи мільйони систем, команда показує, що це не поодинока особливість кількох вражаючих галактик. Це сигнал на рівні популяції, який видно, коли окремі системи занадто слабкі для аналізу окремо.
Карти газу та темної матерії
Карти маси, отримані за допомогою лінзування ACT DR6, забезпечують чітке калібрування маси гало. Це усуває основну невизначеність моделювання під час інтерпретації вимірювань газу, які залежать від маси гало.
Читайте також: Всесвіт не вічний: нове дослідження показує, як усе може завершитись
Інші роботи, що поєднують слабке лінзування з тим самим газовим сигналом, вказують на той самий напрямок, виявляючи нижчі внутрішні газові частки, ніж деякі очікування, засновані на рентгенівських даних. Нещодавній аналіз загострив цю точку зору шляхом спільного підбору даних лінзування та kSZ навколо галактик.
Правильність цього важлива для прецизійних випробувань росту структури. Якщо немодельований зворотний зв’язок зміщує газ, він може імітувати або приховувати інші фізичні ефекти в малих масштабах. Більш чіткий контроль над газом також допомагає вирішити так звану проблему згустків. Це невідповідність між тим, наскільки сильно матерія скупчується в сучасному Всесвіті, і тим, що передбачають дані раннього Всесвіту. Картування розташування газу відносно темної матерії є прямим способом зменшення цієї плутанини.
Пошук зниклої матерії
Майбутні дослідження реліктового випромінювання та глибші карти галактик дозволять використовувати цей метод для менших масштабів та вищих червоних зміщень. Це дозволить перевірити, як розвивається зворотний зв’язок та чи залежать тенденції від типу галактики та середовища.
Кращі реконструкції швидкості та карти з вищою роздільною здатністю зменшать залишки невизначеностей у профілях газу. Завдяки цьому моделі можна буде налаштувати відповідно до реального Всесвіту, а не навпаки.
Цей метод масштабований. Зі зростанням наборів даних статистична потужність швидко зростає, що дозволяє дослідникам розділяти вибірку за зоряною масою, віком або середовищем без втрати сигналу. Ось так колись відсутній фрагмент стає інструментом для нових випробувань. Головоломка невидимої половини звичайної матерії нарешті веде нас до того, як ростуть галактики та як чорні діри формують свої околиці. Дослідження опубліковано на препринт-сервері arXiv.
