Otkrivena misteriozna polovica materije svemira

Astronomi koji zbrajaju svu normalnu materiju, zvijezde, galaksije i plin u današnjem svemiru, došli su do manje od polovice ukupne materije proizvedene u Velikom prasku prije 13,6 milijardi godina. Zapravo, više od polovice normalne materije, odnosno polovica od 15% svemirske materije koja nije tamna tvar, ne može se objasniti sjajnim zvijezdama i plinom koje vidimo.

Međutim, čini se da su nova mjerenja pronašla tu materiju koja nedostaje u obliku vrlo difuznog i nevidljivog ioniziranog vodikovog plina, koji oblikuje aureolu oko galaksija i napuhaniji je i opsežniji nego što su astronomi mislili.

Nalazi ne samo da ublažavaju sukob između astronomskih promatranja i najboljeg, dokazanog modela evolucije svemira od Velikog praska, oni također sugeriraju da su masivne crne rupe u središtima galaksija aktivnije nego što se dosad mislilo, stvarajući plin mnogo dalje od galaktičkog središta nego što se očekivalo, čak oko pet puta dalje.

"Mislimo da ćemo, kad se udaljimo od galaksije, povratiti sav nedostajući plin", rekla je Boryana Hadzhiyska, postdoktorandica na Sveučilištu Berkeley u Kaliforniji i prva autorica rada koji izvještava o nalazima. "Da bismo bili točniji, moramo napraviti pažljivu analizu sa simulacijama, što nismo napravili. Želimo obaviti pažljiv posao."

Rezultati studije, čiji su koautori 75 znanstvenika iz institucija diljem svijeta, predstavljeni su na nedavnim znanstvenim skupovima te objavljeni kao preprint na arXivu i prolaze recenziju u časopisu Physics Research Letters.

Dok još uvijek misteriozna tamna tvar čini najveći dio, oko 84% materije u svemiru, ostatak je normalna materija. Samo oko 7% normalne materije je u obliku zvijezda, dok je ostatak u obliku nevidljivog plina vodika, većinom ioniziranog, u galaksijama i nitima koje povezuju galaksije u neku vrstu kozmičke mreže.

Ionizirani plin i pridruženi elektroni nanizani u ovoj mreži vlakana nazivaju se toplo-vrući međugalaktički medij, koji je previše hladan i previše difuzan da bi se mogao vidjeti uobičajenim tehnikama koje astronomi imaju na raspolaganju, te je stoga do sada ostao nedostižan.

U novom radu istraživači su procijenili distribuciju ioniziranog vodika oko galaksija slaganjem slika približno 7 milijuna galaksija, sve unutar 8 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje i mjerenjem blagog zatamnjenja ili posvjetljivanja kozmičke mikrovalne pozadine uzrokovane raspršivanjem zračenja elektronima u ioniziranom plinu, takozvanim kinematskim Sunyaev-Zel'dovichevim efektom.

Upotrijebljene slike galaksija, sve svjetleće crvene galaksije, prikupljene su instrumentom Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) na 4-metarskom teleskopu Mayall na Nacionalnoj zvjezdarnici Kitt Peak u Tucsonu, Arizona. Instrument, koji je izradila kolaboracija sa sjedištem u Berkeley Labu, istražuje desetke milijuna galaksija i kvazara kako bi izradio 3D kartu koja obuhvaća svemir do 11 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje kako bi se izmjerio učinak tamne energije na širenje svemira.

Mjerenja kozmičke mikrovalne pozadine (CMB) oko ovih galaksija izvršio je kozmološki teleskop Atacama (ACT) u Čileu, koji je napravio najpreciznija mjerenja CMB-a do sada prije nego što je povučen iz upotrebe 2022. godine.

Analiza je napravljena u suradnji s Bernarditom Ried Guachalla, studenticom diplomskog studija na Sveučilištu Stanford, Emmanuelom Schaanom, znanstvenikom u SLAC nacionalnom akceleratorskom laboratoriju u Menlo Parku te DESI i ACT timovima.

Ako je, kao što sugerira nova studija, 'halo' ioniziranog vodika oko galaksija difuzniji, ali i opsežniji nego što se mislilo, to implicira da središnje crne rupe mogu zapravo postati aktivne u drugim trenucima svog života.

Identifikacija materije koja nedostaje, ili bariona, također ima implikacije na druge aspekte kozmičke evolucije.

Tehnika koju je tim koristio, kinematički Sunyaev-Zel'dovich efekt, također bi se mogla koristiti za ispitivanje ranog svemira. To bi moglo pružiti uvid u strukturu svemira velikih razmjera i zakone fizike u ranom svemiru te omogućiti znanstvenicima da testiraju gravitaciju i opću teoriju relativnosti.