Το πρόβλημα της ύλης που λείπει του Σύμπαντος επιλύθηκε

Οι θεωρίες μας για το Σύμπαν έχουν ένα πρόβλημα έλλειψης ύλης:η μισή ύλη του λείπει. Αλλά τώρα αυτό το «πρόβλημα του βαρυονίου που λείπει» ένας από τους πιο μακροχρόνιους γρίφους στην κοσμολογία έχει λυθεί.

Η ανάλυση του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων (CMB), της ακτινοβολίας που απομένει από ένα γεγονός που συνέβη λίγο μετά τη «Μεγάλη Έκρηξη» που γεμίζει ομοιόμορφα ολόκληρο το Σύμπαν, λέει στους φυσικούς ότι «κανονική» ή βαρυονική ύλη  —  το υλικό που σχηματίζει πλανήτες, αστέρια , και το σώμα μας  — θα πρέπει να αντιπροσωπεύει περίπου το 5% της συνολικής ύλης και ενέργειας στο Σύμπαν.

Το πρόβλημα ήταν ότι μέχρι τώρα, περίπου το ήμισυ αυτής της βαρυονικής ύλης (ουσιαστικά τα δομικά στοιχεία όλων όσων βλέπουμε γύρω μας )  είχε λείπει.

Αυστραλοί αστρονόμοι χρησιμοποίησαν γρήγορες ραδιοεκρήξεις, μυστηριώδεις εκρήξεις ραδιοκυματικής ακτινοβολίας που συμβαίνουν σε τυχαίες κατευθύνσεις στο βαθύ διάστημα, των οποίων η προέλευση είναι ακόμη άγνωστη, για να εντοπίσουν αυτή την ύλη που λείπει για πρώτη φορά. Στην πορεία, η ανακάλυψη βοηθά στην επιβεβαίωση ότι τόσο οι θεωρίες της πυρηνοσύνθεσης στο πρώιμο Σύμπαν όσο και η αντίληψή μας για το πώς αναπτύχθηκε το σύμπαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη είναι σωστές.

Τα ευρήματα της ομάδας δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature.

Περιεχόμενα

• 1 Το κυνήγι δύο δεκαετιών για την εξαφανισμένη βαρυονική ύλη
• 2 Γρήγορες ριπές ραδιοφώνου ως μέθοδος ανίχνευσης
• 3 Όλα έχουν να κάνουν με το χρονοδιάγραμμα…
• 4 Πρωτοπορία με τον ΑΣΚΑΠ
• 5 Γνωρίζουμε ότι το θέμα που λείπει είναι εκεί, τώρα πρέπει να μάθουμε πού βρίσκεται το "εκεί"

Το κυνήγι δύο δεκαετιών για την εξαφανισμένη βαρυονική ύλη

Μέχρι στιγμής οι αστρονόμοι έχουν αφιερώσει τουλάχιστον δύο δεκαετίες αναζητώντας αυτό το θέμα χρησιμοποιώντας μια πολύ ακριβή εκτίμηση της συνολικής μάζας των βαρυονίων στο Σύμπαν μας που προέρχεται από μια ανάλυση δεδομένων από το πρώιμο Σύμπαν.

Ωστόσο, παρά αυτή τη μνημειώδη προσπάθεια, δεν έχει πραγματοποιηθεί μια επιτυχημένη απογραφή όλης της ύλης στο Σύμπαν —μέχρι τώρα. Οι τρέχουσες καλύτερες μετρήσεις αντιπροσωπεύουν μόνο τη μισή περίπου βαρυονική ύλη, αφήνοντας ουσιαστικά την άλλη μισή.

Το πρόβλημα με την εύρεση αυτής της ύλης που λείπει είναι κυρίως επειδή είναι εξαιρετικά διάχυτο και ο χώρος είναι εξαιρετικά αραιός. Ο Macquart συγκρίνει αυτή την αναζήτηση για αυτό το θέμα με την αναζήτηση λίγων μόνο ατόμων σε ένα δωμάτιο στο μέγεθος του μέσου γραφείου. Το πρόβλημα με αυτή την ύλη που υπάρχει σε ένα τόσο διάχυτο και έντονο αέριο είναι ότι δεν εκπέμπει το ίδιο φως και όταν το φως του φόντου περνά μέσα από αυτό, κανένα δεν απορροφάται.

Επομένως, αυτή η ύλη που λείπει δεν αφήνει κανένα «δαχτυλικό αποτύπωμα» και είναι, για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, αόρατο. Αυτό σημαίνει ότι τα παραδοσιακά τηλεσκόπια και οι τεχνικές που σχετίζονται με αυτά απλά δεν είναι αρκετά αποτελεσματικά για να εντοπίσουν τέτοια διάχυτη ύλη.

Η ομάδα των αστρονόμων, επομένως, έπρεπε να βρει έναν άλλο τρόπο για να ανιχνεύσει αυτό το θέμα. Αυτό σημαίνει την εύρεση κάποιου άλλου αντίκτυπου ή επίδρασης που θα μπορούσε να έχει αυτό το θέμα, που θα μπορούσε να εντοπιστεί. Εδώ έρχεται να παίξει το φαινόμενο των Fast Radio Bursts (FRBs).

Γρήγορες εκρήξεις ραδιοφώνου ως μέθοδος ανίχνευσης

Το πρώτο Fast Radio Burst εντοπίστηκε το 2007 και από τότε αυτές οι, φαινομενικά τυχαίες εκρήξεις ακτινοβολίας που διαρκούν μόλις λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου, έχουν καταγραφεί πολλές φορές. Αυτό περιλαμβάνει την παρατήρηση τον Απρίλιο του τρέχοντος έτους, του πρώτου FRB στον δικό μας γαλαξία και του πρώτου τακτικά επαναλαμβανόμενου FRB —με το όνομα FRB 181112 —  το 2018.

Ωστόσο, η πραγματική προέλευση αυτών των εκπομπών και οι αιτίες τους είναι ακόμη άγνωστες.

Παρά το μυστήριο γύρω από την εκπομπή τους, οι ερευνητές εξακολουθούν να έχουν βρει έναν τρόπο να εντοπίζουν την πηγή τους σε έναν γαλαξία-ξενιστή και να χρησιμοποιούν FRB για τη μέτρηση άλλων φαινομένων στο Σύμπαν. Πέρυσι, ο ίδιος ο Prochaska ήταν μέρος της έρευνας για τη διερεύνηση διάχυτων αερίων φωτοστέφανων χρησιμοποιώντας FRBs ως ανιχνευτή. Ο ερευνητής λέει ότι από την ίδια την ανακάλυψή τους από τον Duncan Lorimer και τον μαθητή του David Narkevic πριν από δεκατρία χρόνια, πίστευε ότι οι FRBs θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην αναζήτηση της βαρυονικής ύλης που λείπει.

Για να κάνει την ανίχνευση, η ομάδα χρησιμοποίησε δύο διαφορετικές μεθόδους, το μέτρο διασποράς και τη μετατόπιση προς το κόκκινο του γαλαξία προέλευσης του FRB. Το μέτρο διασποράς επιτρέπει στους ερευνητές να μετρήσουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων που συναντώνται καθώς αυτά επιβραδύνουν τη διάδοση του FRB  — με διαφορετικές συχνότητες που συνθέτουν την έκρηξη επηρεάζονται σε διάφορους βαθμούς.

Ενώ, η ανάλυση του φάσματος αποδίδει την ερυθρή μετατόπιση που είναι ουσιαστικά ένα μέτρο της απόστασης από τον γαλαξία προέλευσης του FRB. Αυτό το τελευταίο μέρος είναι σημαντικό επειδή οι ερευνητές πρέπει να γνωρίζουν πόσο «χώρο» έχει διανύσει το FRB.

Τα πάντα έχουν να κάνουν με το χρονοδιάγραμμα…

Οι FRB μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ανιχνευτής για τη βαρυονική ύλη, επειδή καθώς ταξιδεύουν σε όλο το Σύμπαν, κάθε άτομο που συναντούν τους επιβραδύνει κατά ένα μικρό ποσό. Αυτό σημαίνει ότι κουβαλούν μαζί τους ένα ίχνος από κάθε άτομο που συναντούν στη γραμμή ταξιδιού τους. Ακόμη και αυτοί οι αστρονόμοι δεν μπορούν να δουν.

Το πυκνό νέφος αερίου από το οποίο διέρχεται το FRB αποτελείται από άτομα που έχουν ιονιστεί, αυτό σημαίνει ότι τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια έχουν διαχωριστεί και επιπλέουν ελεύθερα στο αέριο.

Όταν τα ραδιοκύματα διέρχονται από αυτό το ιονισμένο αέριο, οι διαφορετικές συχνότητες που απαρτίζουν το FRB διαδίδονται με ελαφρώς διαφορετικές ταχύτητες. Αυτό σημαίνει ότι οι διαφορετικές συχνότητες που ξεκινούν τέλεια ευθυγραμμισμένες απλώνονται ελαφρώς μέχρι τη στιγμή που το FRB φτάνει στην άλλη πλευρά του νέφους αερίου.

Ο Macquart περιγράφει αυτό το φαινόμενο ως ακριβώς αυτό που βλέπουμε όταν το φως διέρχεται από ένα πρίσμα.

Αυτή η διασπορά στο χρονισμό είναι μικροσκοπική, αλλά συσσωρεύεται στις τεράστιες αποστάσεις που διανύονται μεταξύ των γαλαξιών και η ποσότητα της διασποράς είναι ακριβώς ανάλογη με την ποσότητα ιονισμένης ύλης από την οποία έχει περάσει ο ραδιοπαλμός.

Έτσι, όταν η ομάδα μετρήσει αυτά τα FRB, μπορεί να υπολογίσει πόσο λερωμένες είναι οι συχνότητες στο χρόνο, αποκαλύπτοντας πόση ιονισμένη ύλη είχαν περάσει στο ταξίδι τους προς εμάς. Μόλις γίνει γνωστή η απόσταση του γαλαξία προέλευσης από τον οποίο προήλθαν οι εκρήξεις, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν επίσης να μετρήσουν τη μέση πυκνότητα της ιονισμένης ύλης και να το ελέγξουν με βάση τις θεωρητικές προβλέψεις.

Προηγούμενοι με τον ΑΣΚΑΠ

Αυτός ο συνδυασμός μεθόδων απαιτούσε επίσης συνδυασμό τηλεσκοπίων και τεχνικών. Για να διεξαγάγουν τη μελέτη τους, η ομάδα αστρονόμων στράφηκε στο Αυστραλιανό Τετραγωνικό Χιλιόμετρο Pathfinder (ASKAP) της CSIRO—ένα ραδιοτηλεσκόπιο που αποτελείται από 36 κεραίες 12 ιντσών που βρίσκεται περίπου 500 μίλια βόρεια του Περθ στη Δυτική Αυστραλία——και μερικά από τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια του κόσμου . Ωστόσο, η Prochaska είναι ξεκάθαρη εδώ:«Η ΑΣΚΑΠ πρωτοστάτησε».

Η ομάδα χρησιμοποίησε το ASKAP για να μετρήσει τις θέσεις του FRB και έτσι να καθορίσει τον γαλαξία από τον οποίο προήλθαν, κάτι που δεν προκαλεί έκπληξη, καθώς το όργανο έχει γίνει το κορυφαίο κομμάτι της τεχνολογίας όσον αφορά τον εντοπισμό των FRB.

Η ASKAP βρήκε τις κηλιδωμένες εκρήξεις ραδιοεκπομπών, οι οποίες έδωσαν στους ερευνητές δύο βασικές πληροφορίες — πόση ιονισμένη ύλη υπήρχε μεταξύ της πηγής της έκρηξης και εμάς στη Γη, και πού να αναζητήσουν τον γαλαξία από τον οποίο προήλθε η έκρηξη Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το ASKAP ήταν το κλειδί για την ομάδα, ενώ άλλα ραδιοτηλεσκόπια είναι σε θέση να εντοπίσουν το FRBS, σχεδόν κανένα από αυτά δεν μπορεί να εντοπίσει τη θέση της έκρηξης με επαρκή ακρίβεια ώστε να προσδιορίσει από ποιον γαλαξία προήλθαν.

Ωστόσο, ο ΑΣΚΑΠ μπορούσε να λύσει μόνο τα 2/3 του παζλ του βαρυονίου που έλειπε. Άλλα τηλεσκόπια χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση της μετατόπισης προς το κόκκινο αυτών των γαλαξιών-ξενιστών, των πιο απίστευτα απομακρυσμένων και αμυδρά, με αυτή τη μέτρηση να δίνει στην ομάδα μια εκτίμηση της απόστασης και της ταχύτητας με την οποία η διαστολή του Σύμπαντος τον απομακρύνει. Μόλις έγινε γνωστή η απόσταση ταξιδιού FRB, η ομάδα μπορούσε να υπολογίσει την πυκνότητα όλων των ατόμων κατά μήκος της οπτικής γραμμής.

Γνωρίζουμε ότι η ύλη που λείπει είναι εκεί, τώρα πρέπει να μάθουμε πού είναι το "εκεί"

Η ιδέα της «εύρεσης» αυτού του υλικού που λείπει μπορεί να είναι παραπλανητική. Η ομάδα σπεύδει να επισημάνει ότι, παρόλο που τώρα είναι σε θέση να δείξουν ότι αυτό το θέμα υπάρχει, δεν έχει ακόμη καθορίσει πού ακριβώς βρίσκεται και πώς διανέμεται.

Η επόμενη ερώτηση που θα επιδιώξουν να απαντήσουν είναι εάν αυτό το αέριο απλώνεται ομοιόμορφα ομαλά μεταξύ των γαλαξιών ή αν συγκεντρώνεται σε φωτοστέφανα και νημάτια;

"Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους αστρονόμους είναι να εξακριβώσουν το κλάσμα του υλικού που είναι στενά συνδεδεμένο με τους γαλαξίες έναντι του κλάσματος που βρίσκεται έξω στο ανοιχτό Σύμπαν  —αυτό που αποκαλούμε διαγαλαξιακό μέσο ή κοσμικό ιστό», λέει η Prochaska. Όμως, ειδικά για τον ίδιο, αυτή η διαπίστωση σηματοδοτεί το τέλος μιας εικοσαετούς διαδρομής.

«Ξεκίνησα αυτή την επιδίωξη το 2000 ως μεταδιδάκτορας στο Carnegie Observatories», καταλήγει η Prochaska. «Δέκα χρόνια μετά την ανακάλυψη των Fast Radio Bursts καθώς εργάζονταν νέα ραδιοφωνικά πειράματα για να συμμετάσχω στην αναζήτηση, σχημάτισα μια ομάδα που ονομάζεται «Fast and Fortunate for FRB Follow-up») για να εκτελέσω την παρακολούθηση με οπτικά τηλεσκόπια.

«Ποτέ δεν ονειρευόμουν ότι θα πήγαινε τόσο ομαλά…»

Αναφορές:Macquart. JP, Prochaska. J. X, McQuinn. M, et al, «Απογραφή βαρυονίων στο Σύμπαν από εντοπισμένες γρήγορες ραδιοφωνικές εκρήξεις», Nature, [2020].