Ερευνητές αποκαλύπτουν που βρίσκεται κρυμμένη η ελλείπουσα μάζα του σύμπαντος και την υπολογίζουν

Οι αστρονόμοι έχουν ξοδέψει δεκαετίες ψάχνοντας για κάτι που ακούγεται σαν κάτι που είναι δύσκολο να λείπει: περίπου το ένα τρίτο της «κανονικής» ύλης στο Σύμπαν. Τα νέα αποτελέσματα από το Παρατηρητήριο Ακτίνων-Χ Chandra της NASA, μάλλον τους έχουν βοηθήσει να εντοπίσουν αυτή την ασύλληπτη εκτεταμένη ελλείπουσα ύλη. Από ανεξάρτητες καλά εμπεριστατωμένες παρατηρήσεις, οι επιστήμονες έχουν με ασφάλεια υπολογίσει πόση κανονική ύλη – που σημαίνει υδρογόνο, ήλιο και άλλα στοιχεία – υπήρξαν ακριβώς μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Στην περίοδο ανάμεσα στα λίγα πρώτα λεπτά και στα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια κατά προσέγγιση, πολλή από την κανονική ύλη διαμορφώθηκε σε κοσμική σκόνη, αέριο και αντικείμενα όπως τα άστρα και οι πλανήτες που τα τηλεσκόπια μπορούν σήμερα να δούνε στο Σύμπαν.

Το πρόβλημα είναι ότι όταν οι αστρονόμοι προσθέτουν τη μάζα όλης της κανονικής ύλης στην τωρινή περίοδο του Σύμπαντος, περίπου το ένα τρίτο από αυτή δεν μπορεί να βρεθεί. (Αυτή η ελλείπουσα μάζα είναι διακριτή από την ακόμη μυστήρια σκοτεινή ύλη). Μια ιδέα είναι ότι η ελλείπουσα ύλη συσσωρεύεται σε γιγάντιες αλυσίδες ή νήματα θερμού (θερμοκρασίες μικρότερες από 100 000 βαθμοί Κέλβιν) ή καυτού (θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 100 000 βαθμοί Κέλβιν) αερίου στον διαγαλαξιακό χώρο. Τα νήματα αυτά είναι γνωστά στους αστρονόμους ως «θερμό-καυτό διαγαλαξιακό μέσο» ή WHIM (warm-hot intergalactic medium). Είναι αόρατη στα τηλεσκόπια ορατού φωτός, όμως κάποιο από το θερμό αέριο στα νήματα ανιχνεύεται στο υπεριώδες φως.

Χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνική, οι ερευνητές έχουν βρει νέα και ισχυρά στοιχεία για το καυτό συστατικό του WHIM βασιζόμενοι σε δεδομένα από το Chandra και άλλα τηλεσκόπια. «Εάν βρούμε αυτή την ελλείπουσα μάζα, μπορούμε να λύσουμε ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα στην αστροφυσική», αναφέρθηκε από την Orsolya Kovacs του Harvard & Smithsonian Κέντρου για την Αστροφυσική (CfA) στο Cambridge της Μασαχουσέτης. «Που έκρυβε το σύμπαν τόση πολύ από την ύλης του, που συγκροτεί πράγματα όπως άστρα και πλανήτες και εμάς;».

Αστρονόμοι χρησιμοποίησαν το Chandra για να ψάξουν και μελετήσουν νήματα θερμού αερίου που απλώνονται κατά μήκος του δρόμου παρατήρησης ενός κβάζαρ, μιας φωτεινής πηγής ακτίνων-Χ που τροφοδοτείται από μια ταχύτατα αυξανόμενη υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Το κβάζαρ αυτό βρίσκεται περίπου 3,5 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Εάν η συνιστώσα «καυτό αέριο» του WHIM συνδέεται με αυτά τα νήματα, ορισμένες από τις ακτίνες-Χ από το κβάζαρ θα πρέπει να απορροφούνται από αυτό το καυτό αέριο. Έτσι, ψάχνουν για μια υπογραφή του καυτού αερίου που εντυπώνεται στο φως των ακτίνων-Χ του κβάζαρ που ανιχνεύεται από το Chandra.

Ένα από τα προβλήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι το σήμα της απορρόφησης από το WHIM είναι ασθενές σε σύγκριση με το ολικό ποσό των ακτίνων-Χ που προέρχεται από το κβάζαρ. Όταν ερευνάται το συνολικό φάσμα των ακτίνων-Χ σε διάφορα μήκη κύματος, είναι δύσκολο να διακρίνονται τα χαρακτηριστικά τέτοιας ασθενούς απορρόφησης – τα πραγματικά σήματα του WHIM – από τις τυχαίες διακυμάνσεις.

Η Kovacs και η ομάδα της ξεπέρασε το πρόβλημα αυτό εστιάζοντας την έρευνά τους μόνο σε ορισμένο τμήμα του φάσματος του φωτός των ακτίνων-Χ, μειώνοντας την πιθανότητα μιας ψευδούς θετικής καταγραφής. Το έκαναν αυτό κατά πρώτον προσδιορίζοντας γαλαξίες κοντά στη γραμμή παρατήρησης για το κβάζαρ που βρίσκονται στην ίδια απόσταση από τη Γη, ως περιοχές θερμού αερίου που ανιχνεύθηκε από τα υπεριώδη δεδομένα. Με αυτή την τεχνική προσδιόρισαν 17 εφικτά νήματα μεταξύ του κβάζαρ και ημών και βρήκαν τις αποστάσεις τους.

Λόγω της διαστολής του σύμπαντος, που απλώνει το φως καθώς ταξιδεύει, όποια απορρόφηση ακτίνων-Χ από την ύλη σε αυτά τα νήματα θα μετατοπίζεται σε ερυθρότερα μήκη κύματος. Τα ποσά της μετατόπισης εξαρτώνται από τις γνωστές αποστάσεις από το νήμα, έτσι η ομάδα γνώριζε που να ψάξει στο φάσμα για απορρόφηση από το WHIM. «Η τεχνική μας είναι παρόμοια, ως αρχή, με το πώς πρέπει να διεξάγεται μια αποτελεσματική έρευνα για ζώα στις τεράστιες πεδιάδες της Αφρικής», ανέφερε ο Akos Bogdan, μέλος της συγγραφικής ομάδας της έρευνας επίσης από το CfA. «Γνωρίζουμε ότι τα ζώα χρειάζονται να πιουν, έτσι έχει νόημα να ψάξεις πρώτα γύρω από νερόλακκους».

Ενώ το στένεμα της περιοχής της έρευνάς τους βοήθησε, οι ερευνητές είχαν επίσης να υπερβούν το πρόβλημα της ασθενικότητας της απορρόφησης των ακτίνων-Χ. Έτσι, ενίσχυσαν το σήμα προσθέτοντας τα φάσματα από τα 17 νήματα, αλλάζοντας την διάρκειας 5,5 ημερών παρατήρηση στο ισοδύναμο πλούτο δεδομένων των περίπου 100 ημερών. Με την τεχνική αυτή ανίχνευσαν οξυγόνο με χαρακτηριστικά που υποδηλώνουν ότι ήταν σε αέριο με θερμοκρασία περίπου ένα εκατομμύριο βαθμούς Κέλβιν.

Προεκτείνοντας από αυτές τις παρατηρήσεις του οξυγόνου σε όλο το σύνολο των στοιχείων και από την παρατηρούμενη περιοχή στο τοπικό σύμπαν, οι ερευνητές αναφέρουν ότι μπορούν να υπολογίσουν τον πλήρες ποσό της ελλείπουσας ύλης. Τουλάχιστον σε αυτή την ειδική περίπτωση, τελικά η ελλείπουσα ύλη είχε κρυφτεί στο WHIM. «Συγκινηθήκαμε που μπορέσαμε να εντοπίσουμε ορισμένη από αυτή την ελλείπουσα ύλη», ο Randall Smith, ένα από τα μέλη της συγγραφικής ομάδας, από το CfA επίσης. «Στο μέλλον μπορούμε να εφαρμόσουμε την ίδια αυτή μέθοδο σε άλλα δεδομένα από κβάζαρ για να επιβεβαιώσουμε ότι αυτό το μακροχρόνιο μυστήριο έχει επιτέλους σπάσει».