Astronomowie rozwiązali kosmiczną zagadkę wieku - znaleźli brakującą materię Wszechświata

Międzynarodowy zespół astronomów z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics zakończył ponad dwudziestoletnie poszukiwania brakującej materii barionowej we Wszechświecie. Wykorzystując szybkie błyski radiowe jako kosmiczne latarnie, naukowcy odkryli gdzie ukrywała się połowa zwykłej materii, której istnienia nie mogli dotąd potwierdzić obserwacyjnie.

To co możemy zobaczyć w znanym nam kosmosie stanowi jedynie 16 procent jego całości. Zdecydowana większość materii we Wszechświecie to tajemnicza ciemna materia wykrywana wyłącznie poprzez swoje efekty grawitacyjne. Jednak nawet zwykła materia barionowa, z której składają się gwiazdy, planety i ludzie, sprawiała astronomom poważne problemy. Teoretyczne obliczenia wskazywały na znacznie większą jej ilość niż ta, którą udawało się faktycznie zaobserwować.

Przełomowe badanie opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy przedstawia rozwiązanie tej zagadki. Zespół pod kierownictwem badaczy z Caltech oraz Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics wykorzystał 69 szybkich błysków radiowych pochodzących z odległości od 11,7 miliona do ponad 9 miliardów lat świetlnych. Dzięki analizie tych kosmicznych sygnałów udało się bezpośrednio wykryć i zmierzyć całą brakującą materię.

Szybkie błyski radiowe to jedne z najbardziej energetycznych zjawisk we Wszechświecie. Te krótkie, trwające zaledwie milisekundy impulsy fal radiowych mogą w jednej chwili uwolnić tyle energii, ile Słońce emituje przez kilkadziesiąt lat. Chociaż ich dokładne źródło nadal pozostaje przedmiotem debat naukowych, FRB stały się nieocenionym narzędziem do badania struktury kosmosu.

Kluczem do sukcesu okazała się właściwość szybkich błysków radiowych polegająca na rozwarstwianiu się podczas podróży przez materię międzygalaktyczną. Podobnie jak światło przechodząc przez pryzmat rozszczepia się na składowe barwy, tak błyski radiowe ulegają dyspersji podczas przechodzenia przez rozproszone atomy w przestrzeni kosmicznej. Każda częstotliwość radiowa jest spowalniania w różnym stopniu, co pozwala naukowcom na precyzyjne obliczenie ilości materii na drodze sygnału.

Rezultaty badań okazały się zaskakujące w swojej precyzji. Astronomowie ustalili, że aż 76 procent zwykłej materii znajduje się w przestrzeni międzygalaktycznej, rozproszona w tak zwanym ośrodku międzygalaktycznym. To kosmiczna mgła składająca się głównie z wodoru i helu, niewidoczna dla tradycyjnych teleskopów ze względu na swoją ekstremalnie niską gęstość. Kolejne 15 procent materii barionowej ukryte jest w rozległych halo gazowych otaczających galaktyki, a jedynie 9 procent stanowią gwiazdy, planety i zimny gaz wewnątrz samych galaktyk.

Międzynarodowy charakter badań podkreśla kompleksowość przedsięwzięcia. Szybkie błyski radiowe zostały wykryte przede wszystkim za pomocą sieci 110 radioteleskopów Deep Synoptic Array w Obserwatorium Radiowym Caltech w Owens Valley, zaprojektowanej specjalnie do lokalizacji tych tajemniczych zjawisk. Dodatkowe dane pochodziły z australijskiego radioteleskopu ASKAP, teleskopu Keck na Hawajach oraz teleskopu Palomar w Kalifornii.

Profesor Jean-Pierre Macquart z Curtin University oraz International Centre for Radio Astronomy Research w Australii, jeden z pionierów wykorzystania FRB do badania kosmicznej materii, podkreśla wagę odkrycia. Przez dekady astronomowie wiedzieli ile materii powinno istnieć po Wielkim Wybuchu, ale mogli doliczyć się jedynie połowy. Przestrzeń międzygalaktyczna okazała się na tyle rozległa, że wystarczy umieścić jeden czy dwa atomy na każde dwadzieścia-trzydzieści metrów sześciennych, by ukryć całą brakującą połowę materii barionowej.

Odkrycie ma fundamentalne znaczenie dla kosmologii. Po raz pierwszy dane obserwacyjne są w pełni zgodne z teoretycznymi modelami opisującymi skład Wszechświata. Zamyka to długotrwały spór między teorią a obserwacjami, który przez lata zmuszał astronomów do kwestionowania własnej wiedzy o kosmosie.

Wykorzystanie szybkich błysków radiowych jako kosmicznych sond otwiera nowe możliwości badawcze. W przyszłości astronomowie planują znaczące rozszerzenie skali badań. Nowa sieć radioteleskopów DSA-2000, która powstanie w Nevadzie, ma być zdolna do rejestrowania nawet 10 tysięcy FRB rocznie. Taka liczba obserwacji pozwoli jeszcze dokładniej badać rozkład materii we Wszechświecie i śledzić ewolucję galaktyk na przestrzeni miliardów lat.

Sukces w odnalezieniu brakującej materii dowodzi jak bardzo nauka potrzebuje odpowiedniego finansowania i międzynarodowej współpracy. Projekt wymagał zaangażowania najnowocześniejszych teleskopów z trzech kontynentów oraz wieloletnich obserwacji. Bez tego nie byłoby możliwe rozwiązanie jednej z najważniejszych zagadek współczesnej kosmologii.

Odkrycie pokazuje również, jak bardzo nasze zrozumienie Wszechświata zależy od dostępnych narzędzi obserwacyjnych. To co jeszcze dekadę temu było niemożliwe do wykrycia, dzisiaj staje się standardowym narzędziem astronomicznym. Szybkie błyski radiowe, odkryte po raz pierwszy dopiero w 2007 roku, już teraz rewolucjonizują nasze rozumienie kosmicznej struktury.

Znalezienie brakującej materii kończy jeden z najdłuższych rozdziałów w historii współczesnej astronomii. Jednocześnie otwiera nowe perspektywy badawcze. Astronomowie już planują wykorzystanie FRB do badania ewolucji galaktyk, struktury kosmicznej sieci oraz procesów zachodzących w najodleglejszych zakątkach obserwowalnego Wszechświata. Cosmos, który jeszcze niedawno wydawał się pełen tajemnic, stopniowo ujawnia swoje sekrety dzięki ludzkiej pomysłowości i wytrwałości naukowej.