Куда делись атомы из звёздных учебников? Спойлер: они всё это время были рядом

Астрономам из Калифорнийского технологического института и Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института удалось впервые напрямую обнаружить так называемую «недостающую» материю Вселенной — обычные барионы, составляющие атомы, звёзды, планеты и всё живое, но долгое время ускользавшие от наблюдений. В центре открытия — радиосигналы из других галактик, известные как быстрые радиовсплески (FRB).

FRB — это мощные, но кратковременные (длительностью в миллисекунды) вспышки радиоволн, идущие на Землю с расстояний в миллиарды световых лет. Пока они преодолевают межгалактическое пространство, сигнал замедляется в зависимости от плотности ионов, с которыми он сталкивается на пути. Учёные использовали это замедление — называемое дисперсией — чтобы измерить количество вещества между источником FRB и нашей планетой.

Команда исследователей проанализировала 69 локализованных FRB с известными расстояниями до галактик-источников. Один из них, FRB 20230521B, оказался самым удалённым из всех когда-либо зарегистрированных — его источник находится на расстоянии 9,1 миллиарда световых лет. Изучение таких таинственных сигналов позволяет буквально «взвешивать» космическую «туманность», слишком разреженную для прямого наблюдения.

Основная часть этих FRB — 39 сигналов — была обнаружена с помощью сети Deep Synoptic Array (DSA)-110, состоящей из 110 радиотелескопов в Калифорнии. Остальные были зафиксированы при участии международных обсерваторий, включая австралийский Square Kilometre Array Pathfinder. Для измерения расстояний до галактик-источников использовались телескопы W. M. Keck на Гавайях и Паломарская обсерватория в Калифорнии.

Выводы оказались впечатляющими: около 76% обычной материи Вселенной находится в межгалактической среде, ещё 15% — в газовых ореолах вокруг галактик. Лишь малая часть материи сосредоточена внутри галактик — в звёздах, холодном газе и пыли.

По словам Лиама Коннора, ведущего автора исследования и профессора Гарвардского университета, FRB буквально «просвечивают космос», помогая увидеть его структуру там, где телескопы бессильны. «Они — как фонарик, проходящий через туман», — пояснил учёный.

Результаты также подтверждают данные численных симуляций о распределении барионной материи и открывают путь к решению других космологических загадок. Например, FRB могут помочь уточнить массу нейтрино — субатомных частиц, существование которых известна, но точные характеристики до сих пор остаются предметом споров. Это позволит выйти за пределы стандартной модели физики частиц.

Следующим шагом станет запуск радиотелескопа нового поколения DSA-2000, строительство которого ведёт Caltech в пустыне Невады. Этот массив будет способен точно локализовать до 10 000 FRB в год, открывая беспрецедентные возможности для картографирования Вселенной.

Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy .