Астрономи виявили величезний філамент (filament — волокно) гарячого газу, що з’єднує чотири скупчення галактик. З масою вдесятеро більшою, ніж у нашої галактики, це волокно може містити частину «відсутньої» матерії Всесвіту, що дає відповідь на багаторічну загадку в астрономії.
Астрономи використали рентгенівські космічні телескопи XMM-Newton Європейського космічного агентства та Suzaku JAXA, Щоб зробити це відкриття, астрономи задіяли рентгенівські космічні телескопи XMM-Newton Європейського космічного агентства (ЄКА) та Suzaku Японського агентства аерокосмічних досліджень (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA).
Понад третина «нормальної» матерії у місцевому Всесвіті — видимої речовини, з якої складаються зорі, планети, галактики, життя — відсутня. Її ще не бачили, але вона потрібна для того, щоб наукові моделі космосу були правильними.
Зазначені моделі припускають, що ця невловима матерія може існувати у довгих волокнах газу, або філаментах, що з’єднують найщільніші ділянки простору. Хоча астрономи вже помічали філаменти раніше, важко розібратися з їхніми властивостями; вони зазвичай слабкі, що ускладнює ізоляцію їхнього світла від світла будь-яких галактик, околиць чорних дір та інших об’єктів, що містяться поблизу.
Нове дослідження є одним з перших, в якому зроблено саме це, знайдено і точно встановлено характеристики одного волокна гарячого газу, що простягається між чотирма скупченнями галактик у сусідньому з нами районі Всесвіту.
Космічний баланс «звичайної» матерії. Хоча таємничі темна матерія та темна енергія складають близько 25 та 70 відсотків нашого космосу відповідно, звичайна матерія, з якої складається все, що ми бачимо — від зір і галактик до планет і людей — становить лише близько п’яти відсотків. Однак зорі в галактиках у всьому Всесвіті «утримують» лише близько семи відсотків усієї звичайної матерії. Холодний міжзоряний газ, який пронизує галактики — сировина для утворення зір — становить близько 1,8 відсотка від загальної кількості, тоді як гарячий, дифузний газ у гало, що оточують галактики, становить приблизно п’ять відсотків, а ще гарячіший газ, який заповнює скупчення галактик — найбільші космічні структури, що утримуються разом гравітацією — становить чотири відсотки. Це не дивно: зорі, галактики та скупчення галактик формуються в найщільніших вузлах космічної павутини, ниткоподібному розподілі як темної, так і звичайної матерії, що простягається по всьому Всесвіту. Хоча ці ділянки щільні, вони також рідкісні, тому не найкращі місця для пошуку більшої частини космічної матерії. Більшість звичайної матерії Всесвіту, або баріонів, має ховатися у всюдисущих волокнах цієї космічної павутини, де матерія, однак, менш щільна і тому її складніше спостерігати. Використовуючи різні методи протягом багатьох років, астрономи змогли знайти значну частину цієї міжгалактичної матерії — головно її холодну складову (також відому як ліс Лаймана-альфа, який становить близько 28 відсотків усіх баріонів) та її теплу складову (близько 15 відсотків). Після двох десятиліть спостережень науковці, які працюють з космічною обсерваторією XMM-Newton Європейського космічного агентства, виявили гарячу складову цієї міжгалактичної матерії вздовж лінії зору до далекого квазара. Кількість гарячого міжгалактичного газу, виявленого в цих спостереженнях, становить до 40 відсотків усіх баріонів у Всесвіті, що скорочує розрив у загальному балансі звичайної матерії в космосі.<br> На зображенні волокно з гарячого міжгалактичного газу показано плямистим чорно-жовтим кольором. Фото з сайту www.esa.int.
«Вперше наші результати точно відповідають тому, що ми бачимо в нашій провідній моделі космосу — чогось такого раніше не траплялося», — сказав головний дослідник Константінос Міґкас (Konstantinos Migkas) з Лейденської обсерваторії в Нідерландах. «Схоже, що комп’ютерне моделювання було правильними весь час».
Докази від XMM-Newton
З температурою понад 10 мільйонів градусів, волокно містить масу приблизно вдесятеро більшу, ніж Молочний Шлях, та з’єднує чотири скупчення галактик: два на одному кінці, два на іншому. Усі вони є частиною надскупчення Шеплі, утворення з понад 8000 галактик, яке є однією з наймасивніших структур у найближчому до нас Всесвіті.
Волокно простягається по діагоналі від нас через надскупчення на 23 мільйони світлових років, що еквівалентно приблизно 230 діаметрам Молочного Шляху.
На зображенні показано волокно зі звичайної матерії, яка з’єднує чотири скупчення галактик: два на одному кінці, два на іншому. Ці скупчення видно як яскраві плями внизу та вгорі волокна (чотири білі цятки, обрамлені кольорами). Між цими яскравими цятками простягається плямиста смуга фіолетового кольору, що яскраво виділяється на тлі чорного навколишнього неба. Це волокно гарячого газу, що випромінює рентгенівські промені, яку раніше не бачили, і яка містить частину «відсутньої» матерії. Фіолетову смугу виявлено за даними від телескопа Suzaku. Завдяки даним від XMM-Newton, астрономи змогли ідентифікувати та видалити з волокна будь-які можливі джерела рентгенівських променів, що «забруднюють» спостережні дані. Це дало змогу виокремити чистий потік «відсутньої» матерії. Ці джерела видно на зображенні як яскраві точки, що пронизують випромінювання як волокна, так і віддалених від нього об’єктів. Авторські права на зображення: ESA/XMM-Newton та ISAS/JAXA. Фото з сайту www.esa.int.
Константінос та його колеги охарактеризували волокно, поєднавши рентгенівські спостереження з XMM-Newton та Suzaku, а також дослідивши оптичні дані від кількох інших телескопів.
Два рентгенівські телескопи були ідеальними партнерами. Suzaku відобразив слабке рентгенівське світло філаменту на тлі широкої ділянкиі космосу, тоді як XMM-Newton дуже точно визначив джерела рентгенівського випромінювання, а саме надмасивні чорні діри, що лежать усередині волокна.
«Завдяки XMM-Newton ми змогли ідентифікувати та видалити ці космічні забруднювачі, тому ми знали, що дивимося на газ у волокні, а не на щось інше», — додав співавтор дослідження Флоріан Пако (Florian Pacaud) з Боннського університету в Німеччині. «Наш підхід був справді успішним і показує, що філамент саме такий, як ми отримуємо в наших найкращих великомасштабних симуляціях Всесвіту».
Не зовсім зниклий
Окрім виявлення величезного та раніше небаченого потоку матерії, що проходить крізь сусідній космічний простір, знахідка показує, як деякі з найщільніших та найекстремальніших структур у Всесвіті — скупчення галактик — пов’язані на колосальних відстанях.
Вона також проливає світло на саму природу «космічної павутини» — величезної, невидимої павутини волокон, яка лежить в основі структури всього, що ми бачимо навколо нас.
Моделювання космічної павутини (з Illustris Simulation of galaxy formation). Це зображення показує симуляцію «космічної павутини» — величезної мережі ниток та волокон, що простягається по всьому Всесвіту. Зорі, галактики та скупчення галактик оживають у найщільніших вузлах цієї павутини та є пов’язаними величезними волокнами, що тягнуться на багато мільйонів світлових років. Ці волокна невидимі для ока, але їх можна виявити за допомогою телескопів, таких як XMM-Newton Європейського космічного агентства. Ліва сторона зображення заповнена синім та фіолетовим кольорами та трохи темніша. Права сторона має яскраво-помаранчевий та жовтий кольори та набагато яскравіша. У центрі міститься яскраво-зелено-блакитна ділянка, де ці дві сторони поєднуються, утворюючи складну мережу волокон, що з’єднують різні скупчення галактик. Текст «ILLUSTRIS» відображається дрібним шрифтом у правому нижньому куті. Авторські права на зображення: ЄКА. Фото з сайту www.esa.int.
«Це дослідження є гарним прикладом використання різних телескопів та створює новий орієнтир для того, як виявляти світло, що виходить від слабких волокон космічної павутини», — додав Норберт Шартель (Norbert Schartel), науковий співробітник проєкту XMM-Newton Європейського космічного агентства.
«Що ще важливіше, воно підкріплює нашу стандартну модель Всесвіту та підтверджує десятиліття симуляцій: здається, що «відсутня» матерія може справді ховатися у важкодоступних волокнах, сплетених по всьому Всесвіту».
Складання точної картини космічної павутини є метою місії Euclid («Евклід») Європейського космічного агентства. Запущений у 2023 році, космічний зонд Euclid досліджує структуру та історію цієї павутини. Місія також заглиблюється в природу темної матерії й темної енергії — жодну з яких ніколи не спостерігали, попри те, що вони складають колосальні 95 % Всесвіту — та співпрацює з іншими «детективами» темного Всесвіту, щоб розгадати деякі з найбільших та найдавніших космічних загадок.
Каталог уявних галактик флагманського космічного зонда «Евклід». Щоб підготуватися до величезного та складного потоку вимірювань, наукові групи місії «Евклід» (Euclid) створили найбільший з коли-небудь укладених каталогів симульованих (модельованих) галактик — каталог уявних галактик флагманського космічного зонда «Евклід». Він заснований на рекордному суперкомп’ютерному моделюванні двох трильйонів частинок темної матерії та містить понад два мільярди галактик, розподілених у тривимірному просторі, який досліджуватиме Euclid. Симулація з вишуканою точністю відтворює виникнення великомасштабної структури Всесвіту — галактик та скупчень галактик у тонкій мережі космічної павутини, яка складається як з темної, так і з «нормальної» матерії. Моделювання також імітує складні властивості, які демонструють реальні джерела, такі як їх форми, кольори та світність, а також спотворення «гравітаційного лінзування», що впливають на світло, яке випромінюють далекі галактики, під час його подорожі до нас. На цьому зображенні показано фрагмент моделювання, що охоплює період від сучасного місцевого Всесвіту (ліворуч) до того часу, коли йому було близько 3 мільярдів років (праворуч), коли почали формуватися скупчення галактик. Збільшення масштабу забезпечує щеі точніші деталі. Центральні галактики, які заселяють центр темної матерії «гало», позначені зеленим кольором. Галактики-супутники, які містяться в наймасивніших гало в місцях з найвищою щільністю темної матерії, що лежить нижче, позначені червоним кольором. За допомогою цього нового віртуального всесвіту науковці зможуть найкраще підготуватися до місії, а також зрештою оцінити її ефективність. Крім того, це буде важливим інструментом для розробки програмного забезпечення для обробки даних та наукового аналізу, потрібного для такої місії з великим обсягом даних. Про випуск каталогу модельованих галактик консорціум «Евклід» оголосив 7 червня поточного року. Моделювання виконано на суперкомп’ютері Piz Daint Швейцарського національного центру суперкомп’ютерів групою науковців з Цюріхського університету під керівництвом Йоахіма Штаделя (Joachim Stadel). Наукові групи, які створили каталог, містяться в Інституті наук Іспанії (Institut de Ciències de L’Espai, ICE, IEEC-CSIC) та Порті наукової інформації (Port d’Informació Científica, PIC) у Барселоні. Вони співпрацювали з Робочою групою з космологічного моделювання під керівництвом Пабло Фосальби (Pablo Fosalba) з ICE (IEEC-CSIC) та Ромена Тейсьє (Romain Teyssier) з Цюрихського університету. Авторські права на зображення: J. Carretero (PIC), P. Tallada (PIC), S. Serrano (ICE) and the Euclid Consortium Cosmological Simulations SWG. Фото з сайту www.esa.int.
За інф. з сайту www.esa.int
