Polovica hmoty vo vesmíre chýbala. Zistili sme, že sa skrýva medzi galaxiami.

J. Xavier Prochaska je profesorom astronómie a astrofyziky na Kalifornskej univerzite v Santa Cruz. Jean-Pierre Macquart je docentom astrofyziky na Curtin University. Tento príbeh pôvodne vystupoval naKonverzácia.

Koncom 90. rokov kozmológovia predpovedali, koľko bežnej hmoty by malo byť vo vesmíre. Asi 5 percent, odhadli, by mali byť bežné látky, zvyšok by mala byť zmesou temnej hmoty a temnej energie. Keď však kozmológovia spočítali všetko, čo v tom čase mohli vidieť alebo zmerať, prišli krátko. O veľa.

Súčet všetkej bežnej hmoty, ktorú kozmológovia namerali, pridal len asi polovicu z 5 % toho, čo malo byť vo vesmíre.

Toto je známe ako „problém chýbajúceho baryónu“ a už viac ako 20 rokov kozmológovako sme my usilovne hľadal túto záležitosť bez úspechu.

Trvalo to objavenie nového nebeského javu a úplne novej technológie ďalekohľadov, ale začiatkom tohto roka náš tím konečne našiel chýbajúcu vec.

Pôvod problému

Baryon je klasifikácia typov častíc – akýsi zastrešujúci termín – ktorý zahŕňa protóny a neutróny, stavebné kamene všetkej bežnej hmoty vo vesmíre. Všetko v periodickej tabuľke a takmer všetko, čo si myslíte ako „veci“, je vyrobené z baryónov.

Od konca sedemdesiatych rokov mali kozmológovia podozrenie, že temná hmota – zatiaľ neznámy typ hmoty, ktorá musí existovať, aby vysvetlila gravitačné vzorce vo vesmíre –tvorí väčšinu hmoty vesmíru pričom zvyšok bola baryonická hmota, ale nepoznali presné pomery. V roku 1997 traja vedci z Kalifornskej univerzity v San Diegu použili pomer jadier ťažkého vodíka – vodíka s dodatočným neutrónom – k normálnemu vodíku, aby odhadli, že baryóny by mali tvoriť asi 5 percent masovo-energetického rozpočtu vesmíru.

Zatiaľ čo atrament na publikácii stále zasychal, ďalšie trio kozmológov zdvihlo jasne červenú vlajku. Uviedli, že priama miera baryónov v našom súčasnom vesmíre – určená na základe sčítania hviezd, galaxií a plynu v nich a okolo nich – sa pridala iba polovica predpokladaných 5 percent.

To vyvolalo problém chýbajúceho baryónu. Za predpokladu, že prírodný zákon tvrdil, že hmota nemôže byť ani vytvorená, ani zničená, boli možné dve možnosti vysvetlenia: Buď záležitosť neexistovala a matematika bola nesprávna, alebo sa záležitosť skrývala vonku niekde.

Neúspešné hľadanie

Astronómovia na celom svete sa pustili do hľadania a prvé vodítko prišlo o rok neskôr od teoretických kozmológov. Ich počítačové simulácie predpovedali, že väčšina chýbajúcej hmoty sa skrýva v a horúca plazma s nízkou hustotou miliónov stupňov, ktorá prenikla vesmírom. Toto bolo nazvané „teplo-horúce intergalaktické médium“ a prezývané „WHIM“. WHIM, ak by existoval, by vyriešil problém chýbajúceho baryónu, ale v tom čase neexistoval spôsob, ako potvrdiť jeho existenciu.

V roku 2001 sa objavil ďalší dôkaz v prospech WHIM. Druhý tím potvrdil počiatočnú predpoveď baryónov tvoriacich 5 percent vesmíru pri pohľade na maličké teplotné výkyvy vo vesmíre kozmické mikrovlnné pozadie— v podstate zvyšky žiarenia z Veľkého tresku. Pri dvoch samostatných potvrdeniach tohto čísla musela byť matematika správna a odpoveďou sa zdalo byť WHIM. Teraz kozmológovia museli nájsť túto neviditeľnú plazmu.

Za posledných 20 rokov sme spolu s mnohými ďalšími tímami kozmológov a astronómov priniesli na lov takmer všetky najväčšie observatóriá na Zemi. Vyskytlo sa niekoľko falošných poplachov a predbežné detekcie horúceho plynu, ale jeden z našich tímov ich nakoniec spojil plyn okolo galaxií. Ak ten WHIM existoval, bol príliš slabý a difúzny na to, aby sa dal zistiť.

Neočakávané riešenie v rýchlych rádiových dávkach

V roku 2007 sa objavila úplne neočakávaná príležitosť. Duncan Lorimer, astronóm z University of West Virginia, oznámil náhodný objav kozmologického javu známeho ako rýchly rádiový signál (FRB). FRB sú extrémne krátke, vysoko energetické impulzy rádiových emisií. Kozmológovia a astronómovia stále nevedia, čo ich vytvára, ale zdá sa, že pochádzajú z veľmi vzdialených galaxií.

Keď tieto výbuchy žiarenia prechádzajú vesmírom a prechádzajú plynmi a teoretizovaným WHIM, podstupujú niečo tzv. disperzia.

Počiatočná záhadná príčina týchto FRB trvá menej než tisícinu sekundy a všetky vlnové dĺžky začínajú v tesnom zhluku. Ak by mal niekto to šťastie - alebo smolu - byť blízko miesta, kde sa vyrábal FRB, všetky vlnové dĺžky by ho zasiahli súčasne.

Ale keď rádiové vlny prechádzajú hmotou, sú krátko spomalené. Čím dlhšia je vlnová dĺžka, tým viac rádiové vlny „cítia“ záležitosť. Predstavte si to ako odpor vetra. Väčšie auto cíti väčší odpor vetra ako menšie auto.

Účinok „odporu vetra“ na rádiové vlny je neuveriteľne malý, ale priestor je veľký. V čase, keď FRB precestoval milióny alebo miliardy svetelných rokov, aby dosiahol Zem, došlo k rozptylu spomalil dlhšie vlnové dĺžky natoľko, že dorazia takmer o sekundu neskôr ako kratšie vlnové dĺžky.

V tom spočíva potenciál FRB vážiť baryóny vesmíru, príležitosť, ktorú sme rozpoznali na mieste. Meraním šírenia rôznych vlnových dĺžok v rámci jedného FRB sme mohli presne vypočítať, koľko hmoty – koľko baryónov – prešli rádiové vlny na svojej ceste na Zem.

V tomto bode sme boli tak blízko, ale potrebovali sme ešte jednu poslednú informáciu. Na presné meranie hustoty baryónu sme potrebovali vedieť, odkiaľ na oblohe pochádza FRB. Keby sme poznali zdrojovú galaxiu, vedeli by sme, ako ďaleko sa rádiové vlny dostali. S týmto a množstvom rozptylu, ktorý zažili, by sme možno mohli vypočítať, koľko hmoty prešli na ceste na Zem?

Bohužiaľ, ďalekohľady v 2007 neboli dosť dobré presne určiť, z ktorej galaxie – a teda ako ďaleko – pochádza FRB.

Vedeli sme, aké informácie nám umožnia vyriešiť problém, teraz sme len museli počkať, kým sa technológia vyvinie natoľko, aby nám tieto údaje poskytla.

Technická inovácia

Trvalo 11 rokov, kým sme boli schopní umiestniť – alebo lokalizovať – náš prvý FRB. V auguste 2018 sa náš spoločný projekt tzv CRAFT začal používať Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) rádioteleskop vo vnútrozemí Západnej Austrálie, aby hľadal FRB. Tento nový ďalekohľad dokáže sledovať obrovské časti obloha, asi 60-krát väčšia ako mesiac v splne, a dokáže súčasne detekovať FRB a presne určiť, kde na oblohe prichádzajú od.

ASKAP zachytil svoje prvý FRB o mesiac neskôr. Keď sme poznali presnú časť oblohy, z ktorej pochádzajú rádiové vlny, rýchlo sme ju použili Keckov ďalekohľad na Havaji, aby sme zistili, z ktorej galaxie FRB pochádza a ako ďaleko sa táto galaxia nachádza. Prvý FRB, ktorý sme zistili, pochádzal z galaxie s názvom DES J214425.25–405400.81, ktorý je od Zeme vzdialený asi 4 miliardy svetelných rokov, ak by vás to zaujímalo.

Technika a technika fungovali. Zmerali sme rozptyl z FRB a vedeli sme, odkiaľ pochádza. Potrebovali sme ich však chytiť ešte niekoľko, aby sme dosiahli štatisticky významný počet baryónov. Tak sme čakali a dúfali, že nám vesmír pošle ešte nejaké FRB.

Do polovice júla 2019 sme zaznamenali päť ďalších udalostí – dosť na to, aby sme vykonali prvé pátranie po chýbajúcej veci. Pomocou rozptylových meraní týchto šiestich FRB sme boli schopní urobiť hrubý výpočet toho, koľko hmoty prešli rádiové vlny pred dosiahnutím Zeme.

V momente, keď sme to videli, nás premohol úžas aj uistenie údaje padajú presne na krivku predpovedanú 5-percentným odhadom. Úplne sme odhalili chýbajúce baryóny, vyriešili sme túto kozmologickú hádanku a zastavili dve desaťročia hľadania.

Tento výsledok je však len prvým krokom. Dokázali sme odhadnúť množstvo baryónov, ale iba so šiestimi údajovými bodmi ešte nemôžeme zostaviť komplexnú mapu chýbajúcich baryónov. Máme dôkaz, že WHIM pravdepodobne existuje a potvrdili sme, koľko je, ale nevieme presne, ako sa distribuuje. Verí sa, že je súčasťou obrovskej vláknitej siete plynu, ktorá spája galaxie nazývané „kozmická sieť“, ale s asi 100 rýchlymi rádiovými výbuchmi by kozmológovia mohli začať vytvárať presnú mapu tejto siete.