חצי מהחומר ביקום היה חסר. מצאנו אותו מתחבא בין גלקסיות.

י. Xavier Prochaska הוא פרופסור לאסטרונומיה ואסטרופיזיקה באוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז. ז'אן-פייר מקארט הוא פרופסור חבר לאסטרופיזיקה באוניברסיטת קרטין. הסיפור הזה הופיע במקורהשיחה.

בסוף שנות ה-90, קוסמולוגים עשו תחזית לגבי כמה חומר רגיל צריך להיות ביקום. בערך 5%, הם העריכו, צריכים להיות חומר רגיל, והשאר תערובת של חומר אפל ואנרגיה אפלה. אבל כשקוסמולוגים ספרו את כל מה שהם יכלו לראות או למדוד באותו זמן, הם לא הצליחו. בהרבה.

סכום כל החומר הרגיל שקוסמולוגים מדדו רק הצטבר לכמחצית מ-5% מה שאמור להיות ביקום.

זה ידוע כ"בעיית הבריון החסר" ובמשך למעלה מ-20 שנה, קוסמולוגיםכמונו חיפשו היטב את העניין הזה ללא הצלחה.

נדרשה גילוי של תופעה שמימית חדשה וטכנולוגיית טלסקופ חדשה לגמרי, אבל מוקדם יותר השנה, הצוות שלנו סוף סוף מצא את החומר החסר.

מקור הבעיה

בריון הוא סיווג לסוגי חלקיקים - מעין מונח גג - המקיף פרוטונים וניוטרונים, אבני הבניין של כל החומר הרגיל ביקום. כל דבר בטבלה המחזורית ובערך כל מה שאתה חושב עליו כ"חומר" עשוי מבאריונים.

מאז סוף שנות ה-70, קוסמולוגים חשדו שחומר אפל - סוג חומר לא ידוע עדיין שחייב להתקיים כדי להסביר את דפוסי הכבידה בחלל -מהווה את רוב החומר של היקום כשהשאר הם חומר בריוני, אבל הם לא ידעו את היחסים המדויקים. בשנת 1997, שלושה מדענים מאוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, השתמשו ביחס בין גרעיני מימן כבד - מימן עם נויטרון נוסף - למימן רגיל כדי להעריך בריונים צריכים להוות כ-5 אחוזים מתקציב האנרגיה ההמונית של היקום.

אולם בזמן שהדיו עדיין התייבש על הפרסום, שלישיית קוסמולוגים נוספת הניפה דגל אדום בוהק. הם דיווחו שמדד ישיר של בריונים ביקום הנוכחי שלנו - שנקבע באמצעות מפקד של כוכבים, גלקסיות והגז שבתוכם וסביבם - הסתכם רק מחצית מ-5 האחוזים החזויים.

זה עורר את בעיית הבריון הנעדר. בתנאי שחוק הטבע קבע שחומר אינו יכול להיווצר או להרוס, היו שניים אפשריים הסברים: או שהעניין לא היה קיים והמתמטיקה הייתה שגויה, או שהעניין הסתתר שם בחוץ אי שם.

חיפוש לא מוצלח

אסטרונומים ברחבי העולם החלו בחיפוש והרמז הראשון הגיע שנה לאחר מכן מקוסמולוגים תיאורטיים. הדמיות המחשב שלהם חזו שרוב החומר החסר מסתתר ב-a פלזמה חמה בצפיפות נמוכה של מיליון מעלות שחדרה ליקום. זה כונה "המדיום הבין-גלקטי החם-חם" וזכה לכינוי "ה-WHIM". ה-WHIM, אם היה קיים, היה פותר את בעיית הבריון החסר, אך באותה תקופה לא הייתה דרך לאשר את קיומו.

בשנת 2001, צצה ראיה נוספת לטובת ה-WHIM. צוות שני אישר את התחזית הראשונית של בריונים המהווים 5 אחוז מהיקום על ידי הסתכלות על זעירים תנודות טמפרטורה ביקום רקע מיקרוגל קוסמי- בעצם שאריות הקרינה מהמפץ הגדול. עם שני אישורים נפרדים למספר הזה, המתמטיקה הייתה צריכה להיות נכונה ונראה היה שה-WHIM הוא התשובה. עכשיו קוסמולוגים רק היו צריכים למצוא את הפלזמה הבלתי נראית הזו.

במהלך 20 השנים האחרונות, אנחנו וצוותים רבים אחרים של קוסמולוגים ואסטרונומים הבאנו כמעט את כל מצפי הכוכבים הגדולים ביותר של כדור הארץ לציד. היו כמה אזעקות שווא ו גילויים טנטטיביים של גז חם-חם, אבל אחד מהצוותים שלנו קישר אותם בסופו של דבר גז סביב גלקסיות. אם ה-WHIM היה קיים, הוא היה קלוש ומפוזר מכדי לזהות אותו.

פתרון לא צפוי בפרצי רדיו מהירים

בשנת 2007 הופיעה הזדמנות בלתי צפויה לחלוטין. דאנקן לורימר, אסטרונום מאוניברסיטת מערב וירג'יניה, דיווח על גילוי מדאיג של תופעה קוסמולוגית הידועה בשם פרץ רדיו מהיר (FRB). FRBs הם פולסים קצרים ביותר, אנרגטיים מאוד של פליטת רדיו. קוסמולוגים ואסטרונומים עדיין לא יודעים מה יוצר אותם, אבל נראה שהם מגיעים מגלקסיות רחוקות, רחוקות.

כאשר פרצי הקרינה הללו חוצים את היקום ועוברים דרך גזים וה-WHIM התיאורטית, הם עוברים משהו שנקרא פְּזִירָה.

הסיבה המסתורית הראשונית ל-FRBs הללו נמשכת פחות מאלפית השנייה וכל אורכי הגל מתחילים בגוש הדוק. אם למישהו היה מספיק מזל - או חסר מזל מספיק - להיות ליד המקום שבו הופק FRB, כל אורכי הגל היו פוגעים בו בו זמנית.

אבל כאשר גלי רדיו עוברים בחומר, הם מואטים לזמן קצר. ככל שאורך הגל ארוך יותר, כך גל רדיו "מרגיש" את העניין. תחשוב על זה כמו התנגדות רוח. מכונית גדולה יותר מרגישה עמידות רוח גדולה יותר ממכונית קטנה יותר.

השפעת "התנגדות הרוח" על גלי רדיו היא קטנה להפליא, אבל החלל גדול. עד שה-FRB נסע מיליוני או מיליארדי שנות אור כדי להגיע לכדור הארץ, התפזרות עשתה זאת האט את אורכי הגל הארוכים כל כך עד שהם מגיעים כמעט שנייה מאוחר יותר מהקצר יותר אורכי גל.

בכך טמון הפוטנציאל של FRBs לשקול את בריוני היקום, הזדמנות שזיהינו במקום. על ידי מדידת התפשטות של אורכי גל שונים בתוך FRB אחד, נוכל לחשב בדיוק כמה חומר - כמה בריונים - עברו גלי הרדיו בדרכם לכדור הארץ.

בשלב הזה היינו כל כך קרובים, אבל הייתה פיסת מידע אחרונה שהיינו צריכים. כדי למדוד במדויק את צפיפות הבריון, היינו צריכים לדעת מאיפה בשמיים הגיע FRB. אם היינו יודעים את גלקסיית המקור, היינו יודעים כמה רחוק נעו גלי הרדיו. עם זה וכמות הפיזור שהם חוו, אולי נוכל לחשב כמה חומר הם עברו בדרך לכדור הארץ?

לרוע המזל, הטלסקופים נכנסו 2007 לא היו מספיק טובות כדי לאתר בדיוק מאיזו גלקסיה - ולפיכך באיזו מרחק - הגיע FRB.

ידענו איזה מידע יאפשר לנו לפתור את הבעיה, עכשיו רק היינו צריכים לחכות שהטכנולוגיה תתפתח מספיק כדי לתת לנו את הנתונים האלה.

חדשנות טכנית

עברו 11 שנים עד שהצלחנו למקם - או ליישב - את ה-FRB הראשון שלנו. באוגוסט 2018 התקשר הפרויקט השיתופי שלנו מְלָאכָה החל להשתמש ב אוסטרלי מרובע קילומטר מערך Pathfinder (ASKAP) טלסקופ רדיו במערב אוסטרליה כדי לחפש FRBs. הטלסקופ החדש הזה יכול לצפות בחלקים עצומים של שמיים, בערך פי 60 בגודל של ירח מלא, והוא יכול לזהות בו-זמנית FRBs ולמצוא במדויק לאן בשמיים הם מגיעים מ.

ASKAP כבש את זה FRB הראשון חודש מאוחר יותר. ברגע שידענו את החלק המדויק של השמים שממנו הגיעו גלי הרדיו, השתמשנו במהירות ב טלסקופ קק בהוואי כדי לזהות מאיזו גלקסיה הגיע ה-FRB וכמה רחוקה הגלקסיה הזו. ה-FRB הראשון שזיהינו הגיע מגלקסיה בשם DES J214425.25–405400.81 שנמצא במרחק של כ-4 מיליארד שנות אור מכדור הארץ, למקרה שתהיתם.

הטכנולוגיה והטכניקה עבדו. מדדנו את הפיזור מ-FRB וידענו מאיפה הוא בא. אבל היינו צריכים לתפוס עוד כמה מהם כדי להגיע לספירה מובהקת סטטיסטית של הבריון. אז חיכינו וקיווינו שהחלל ישלח לנו עוד כמה FRBs.

עד אמצע יולי 2019, זיהינו עוד חמישה אירועים - מספיק כדי לבצע את החיפוש הראשון אחר החומר החסר. באמצעות מדדי הפיזור של ששת ה-FRB הללו, הצלחנו לבצע חישוב גס של כמה חומר עברו גלי הרדיו לפני שהגיעו לכדור הארץ.

התגברנו על ידי תדהמה וגם ביטחון ברגע שראינו את הנתונים נופלים ממש על העקומה שנחזה על ידי אומדן של 5 אחוזים. זיהינו את הבריון הנעדר במלואו, פתרנו את החידה הקוסמולוגית הזו והשמנו שני עשורים של חיפושים.

אולם תוצאה זו היא רק הצעד הראשון. הצלחנו להעריך את כמות הבריון, אך עם שש נקודות נתונים בלבד, איננו יכולים עדיין לבנות מפה מקיפה של הבריון הנעדרים. יש לנו הוכחה שה-WHIM כנראה קיים ואישרנו כמה יש, אבל אנחנו לא יודעים בדיוק איך הוא מופץ. מאמינים שהוא חלק מרשת חוט עצומה של גז המחברת בין גלקסיות המכונה "הרשת הקוסמית", אבל עם כ-100 פרצי רדיו מהירים קוסמולוגים יכולים להתחיל לבנות מפה מדויקת של הרשת הזו.