Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

Отсутствующие барионы в скелете Вселенной

Я воспринимаю темную материю как скелет, покрытый видимой материей – газом и галактиками. Крупнейшие исследования показывают, что галактики распределены по филаментам – скоплениям и группам, связанным между собой в паутину вроде сети крупномасштабных структур, подобно рисунку, который на стакане оставляет пенистое пиво. В нынешней модели галактики выдают эту невидимую сеть темной материи, так же как свет уличных и домашних огней показывает местоположение дорог, городов и селений на Земле, если смотреть на нее ночью из космоса.

Гравитационное влияние темной материи помогло сформировать галактики, превратив барионы в упорядоченные структуры (такие, например, как Млечный Путь). Но есть еще одна интересная сторона в эволюции барионов. Мы говорили об этом на протяжении всей книги, так что вы уже знаете, что «нормальная» материя составляет лишь часть общей массы материальной Вселенной, а остальная масса – это темная. Менее очевидная проблема заключается в том, что только небольшая часть тех барионов, которые представляют такую ничтожную долю от общей массы, вообще находится в галактиках. Из исследований реликтового излучения (статистическое распределение колебаний температуры его фона содержит большое количество данных о свойствах Вселенной непосредственно перед тем, как галактики были сформированы, в том числе о барионной фракции материи во Вселенной), а также измерений обилия первичных элементов, таких как гелий, дейтерий и литий, мы знаем, сколько барионов должно быть во Вселенной в целом. Эти самые легкие элементы смогли сформироваться вскоре после Большого взрыва в процессе, называемом нуклеосинтезом, и их содержание контролируется общей плотностью барионов относительно всей материи.

Мы можем сложить всю массу в галактиках звездного света (видимого и ближнего инфракрасного света), газа (радио-и миллиметровой волн) и пыли (инфракрасного света). Мы можем даже сложить массу барионов за пределами галактик за счет рентгеновского свечения горячей атмосферы в скоплениях галактик и в линиях поглощения элементов во внегалактическом пространстве, которые оказываются подсвеченными яркими квазарами. Но когда мы сложим все это, то обнаружим, что насчитали меньше барионов, чем ожидалось. Остальные пропали без вести, и эта загадка стала известна как проблема пропавших барионов – это показывает, что мы не полностью понимаем принципы формирования галактик.

Глядя в далекую Вселенную, мы можем найти данные по некоторым из барионов, которые сейчас числятся пропавшими. Кроме того, используя спектры квазаров, мы можем искать отпечатки скоплений нейтрального газообразного водорода в галактиках и вокруг них, а также плавающие в межгалактическом пространстве. Одно облако нейтрального газа может поглотить часть света квазара, оставляя линию поглощения на определенной длине волны, соответствующей красному смещению этого облака. Свет от более удаленных квазаров должен проходить через большее количество межгалактического пространства, перехватывая множество облаков на этом пути и вводя множество линий поглощения в спектр квазара. В спектрах квазара может накапливаться так много линий поглощения (все на разных длинах волн), что сеть газовых облаков называется лесом Лайман-альфа. Лайман-альфа– обозначение линии поглощения рассматриваемого водорода; это принципиальный переход атома водорода в серии «Лайман», относящийся к электронам на самом низком энергетическом уровне системы. Измеряя обилие этих облаков нейтрального водорода и их масс, определяемые силой поглощения, а также массу звезд, образовавшихся в галактиках одновременно, мы можем вычислить общее количество барионов в ранней Вселенной. Взглянув на более ранние времена, мы сможем объяснить большее количество барионов, составляющих теоретический итог, чем можем сегодня. Они были потеряны как раз где-то между «тогда» и «сейчас». Пока наша самая лучшая версия состоит в том, что со временем большинство барионов никогда не превращались в галактики или, по крайней мере, не образовывали холодный газ или звезды.

Проблема потерянных барионов проистекает из простого: мы до сих пор не до конца понимаем цикл барионов и течение газа в галактики и из них. Мы уже знаем, что в межгалактическом пространстве много газа. Наиболее очевидным местом его нахождения являются кластеры, где межгалактический газ достаточно горяч, чтобы светиться рентгеновскими лучами. Кластеры торчат, как больной большой палец на рентгеновских снимках неба, однако большинство отдельных галактик не являются сильными излучателями рентгеновского излучения, и даже когда они все-таки излучают его, как, например, квазары, это излучение очень мало. Большие размеры кластеров порождают расширенное рентгеновское излучение, которое поглощает сравнительно небольшие галактики, погруженные в эту горячую атмосферу. Общая рентгеновская светимость кластера может быть преобразована в общую массу газа. Но мы не сможем обнаружить барионы, если они не помогут нам, испуская или скрывая излучение. Одна из теорий состоит в том, что отсутствующие барионы просто находятся в состоянии, которое нам трудно обнаружить, – тепловатый газ, который горяче́е, чем газ в галактиках, но холоднее, чем внутрикластерная среда, температура которой составляет десятки миллионов градусов. Таким образом, этот газ – не слишком плодовитый источник рентгеновского или любого другого излучения, которое мы могли бы легко обнаружить. Это наша ахиллесова пята.

Но где же эта материя, если не в галактиках? Что ж, ответ нам дает архитектура темной материи – крупномасштабной структуры, в которую встроены галактики. Предполагается, что бол2 ьшая часть отсутствующих барионов находится в нитях между скоплениями, содержащими большинство галактик. Подобно тому, как скопления представляют собой гигантские гало темной материи, где находятся галактики, системы в нитях заключены в гало, которые смешиваются, образуя взаимосвязанную сетку темной массы, которая со временем становится все более объемной.

Этой массы достаточно, чтобы привлечь, ускорить и в процессе нагреть межгалактический и исконный газ. Газ разогревается до достаточно высоких температур, от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов градусов, что слишком горячо, чтобы разрушиться в галактиках, и слишком холодно, чтобы испускать рентгеновские лучи, которые мы могли бы увидеть. Это огромный резервуар неиспользованного материала, из которого могли бы образовываться новые галактики или черпать для роста уже существующие, но он заточен в лимбе под действием силы тяжести. Этот материал называется тепло-горячей межгалактической средой. Эксперименты по ее обнаружению используют ту же методику линий поглощения, которая позволила нам обнаружить нейтральный газ в спектрах далеких квазаров. Хитрость заключается в том, чтобы найти яркий удаленный квазар вдоль линии обзора нитевидной структуры и получить ее ультрафиолетовый или рентгеновский спектр. Если свет от квазара проходит через плотное пятно тепло-горячей межгалактической среды, то свет может поглощаться присутствующими здесь сильно ионизированными элементами, например кислородом. Атом кислорода, у которого удалены почти все его электроны, будет поглощать свет при высоких энергиях, отслеживаемых ультрафиолетовым и рентгеновским диапазонами. Обнаружение такого сильно ионизированного элемента будет означать присутствие высокоэнергетической газовой среды. Поглощение рентгеновских лучей отслеживает очень горячий газ, а поглощение ультрафиолета – менее горячий, но все еще теплый газ. Такой резервуар был открыт в нашей части Вселенной в сверхскоплении Скульптора, или Стене Скульптора. Скульптор – это созвездие, и в его направлении можно найти похожее на стену сверхскопление галактик, которое представляет собой часть нашей крупномасштабной структуры. Рентгеновские спектры яркого квазара за этой стеной показывают характерный провал – линию поглощения – на правильной длине волны, ожидаемой для сильно ионизированного кислорода, задерживающегося между галактиками в этой плотной структуре.