Алексей Алексеенко : Куда исчезла материя

Астрофизикам вот уже сто лет не хватает материи во Вселенной, чтобы свести концы с концами; но в минувшем месяце кое-что из недостающего наконец нашли

В редакцию пришло письмо. Вернее, пришло оно лично автору на фейсбук (не поверите, но такое бывает: журналисты не всегда придумывают читательские письма из головы, иногда их придумывают сами читатели). В письме поставлен прямой вопрос: «Как все это понять?!» И дана ссылка на статью со странным названием: «Астрофизики: недостающая половина материи во Вселенной состоит из барионов». А в самой статье все еще страннее: ученые, написано там, «заявили о присутствии во Вселенной особых частиц — барионов», и еще там «в космическом пространстве появляются пятна тумана». Сама заметка совсем небольшая, но с первых слов завораживает каким-то эпическим, баснословным, доселе невиданным невежеством.

И это прекрасный повод, чтобы рассказать нашим читателям о работе астрофизиков из Эдинбурга, которая, видимо, и вдохновила наших уважаемых коллег на слоновий танец в лавке непонятных слов. Эта работа имеет отношение к тайне пропавшей материи.

Если верить физикам, в природе все логично и соразмерно. Например, во Вселенной есть ровно столько материи, чтобы ее тяготение делало пространство не замкнутым и не выгнутым, а абсолютно плоским. При этом та материя, которую мы можем видеть, составляет лишь небольшую долю всего этого добра. Эту материю называют «барионной» (барионы — то, что находится в ядрах атомов и придает им почти всю массу, то есть протоны и нейтроны). Когда в ХХ веке физики начали составлять баланс материи во Вселенной, то поняли, что барионной материи слишком мало, чтобы сделать наш мир плоским. Сперва стало понятно, что есть еще и другая материя, «темная», невидимая нам, поскольку она состоит из частиц, которые ни с чем не взаимодействуют, но притягивают все остальное силой гравитации. При всей своей темности, это обычная материя, просто состоящая из неких доныне неведомых частиц. Потом оказалось, что есть еще и совсем необычная материя, которая и не материя вовсе, а просто свойство пустого пространства. Ее назвали «темной энергией», и она, в отличие от всего остального в этом мире, не скручивает пространство вокруг себя, а наоборот, распихивает его, ускоряя его расширение. Когда физики сложили все эти материи и лжематерии, получилось, что в мире действительно ровно столько всякой всячины, чтобы он оставался плоским.

Предполагается, что много материи болтается между галактиками в виде разреженного ионизированного газа. Он очень разрежен, но при этом весьма горяч, так что его видно в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне

Как ни странно, главный дефицит баланса обнаружился там, где его никто не ждал. Сюрприз преподнесла старая добрая барионная материя. Дело в том, что физики точно знают, сколько ее должно быть, чтобы Вселенная оставалась плоской — примерно 5% от всего, что есть в этом мире. Именно столько, согласно расчетам, ядер водорода и гелия образовалось в первые двадцать минут после Большого взрыва, так что здесь все сходится.

Но где сейчас все это добро? В звездах и галактиках из этих 5% заключено не более одной десятой. Предполагается, что много материи болтается между галактиками в виде разреженного ионизированного газа. Он очень разрежен, но при этом весьма горяч, так что его видно в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне (например, с помощью телескопа Hubble). Но даже всего этого видимого газа никак не хватает, чтобы свести концы с концами: еще треть, а то и половина материи остается неохваченной.

Можно представить себе злость и раздражение физиков. Сперва оказывается, что большая часть материи — непонятное темное черт знает что, потом выясняется, что большая часть всего, что есть во Вселенной, — даже и не эта материя вовсе, а еще более непонятная темная энергия. И наконец, последний сюрприз: самой простой и понятной барионной материи не хватает даже на те жалкие 5%, сколько ее нужно, чтобы картина природы не расползлась по швам.

Эту задачку и попытались решить шотландские астрофизики. Они предположили, что основная часть внегалактической материи может заключаться в гигантских космических нитях — паутине газа, тянущейся от галактики к галактике. О том, как выглядит эта паутинная структура, мы как-то писали на нашем сайте; это же можно наглядно увидеть в красивом ролике.

https://youtu.be/rENyyRwxpHo

Но как понять, сколько там, в этих межгалактических нитях, есть вещества? Способ есть, хоть и непростой. Весь космос, если вы не знали, пронизан «реликтовым излучением» — отблеском Большого взрыва. Фотоны, оставшиеся от взрыва, летели через космос с тех самых пор, а космос тем временем расширялся, длины волн излучения растягивались, оно остывало, пока не остыло до смехотворной температуры 2,7 градуса выше абсолютного ноля. Это настолько холодно, что такие фотоны способно нагреть буквально что угодно, в том числе и редкие взаимодействия с электронами в межгалактическом газе. Это на самом деле не просто фантазирование на пальцах, а явление, известное с 1969 года: эффект Сюняева — Зельдовича. Фотоны нагреваются всего-то на стотысячную долю процента, но шотландцы придумали, как поймать этот эффект. Им пришлось для этого суммировать данные для миллиона пар галактик, но в результате стало ясно, сколько именно между этими галактиками есть барионной материи, способной чуть согреть замерзающие фотоны. Ее в межгалактических волокнах хоть и не много, но все же в шесть раз больше, чем в среднем во внегалактическом пространстве. И значит, дефицит материи объяснен... ну не совсем, но его удалось снизить на 30%, и это немало. В будущем, надо надеяться, найдут и остальное, раз процесс, как говорится, пошел...

Если, конечно, статьи невежественных лжепопуляризаторов не отобьют у человечества всякую охоту к дальнейшему познанию мира; такой исход мы тоже не можем исключать.

Примечание: популярное изложение работы можно найти здесь. Между тем другая работа на эту тему, с теми же результатами, но меньшим объемом данных, была опубликована чуть раньше канадскими исследователями; вот она.