Як була знайдена половина маси Всесвіту
Донедавна половина Всесвіту була відсутня чи прихована, або ж ми просто її не помічали.
І я не маю на увазі темну речовину або темну енергію, які складають відповідно 27 і 68 відсотків нашого Всесвіту.
Я маю на увазі звичайну речовину, з якої складаєтеся ви, я, планети, зірки й туманності, тобто практично все, що ви можете бачити.
А оскільки більша частина звичайної речовини складається з протонів і нейтронів, які є баріонами, це стало відомо як проблема нестачі баріонів.
Вважається, що Всесвіт на 5 відсотків складається з баріонної речовини.
Але спостереження показують лише 2,5 (два з половиною) відсотка.
Отож, перше запитання, яке ви, ймовірно, поставите: "Чому ми взагалі вважаємо, що Всесвіт на 5% - це звичайна баріонна речовина?"
Відповідь полягає в тому, що з такою густиною ми можемо пояснити відносний вміст різних елементів, який ми спостерігаємо у Всесвіті.
Зокрема, співвідношення між дейтерієм, гідрогеном і гелієм.
На самому початку, одразу після Великого вибуху, нейтрони й протони швидко рухалися повсюди.
Температура була неймовірно високою.
У Всесвіті панувало випромінювання.
Але в міру розширення й охолодження Всесвіту в певний момент протони та нейтрони змогли з'єднуватися.
Особливо стійким ядром є ядро гелію-4 (чотири), яке складається з двох протонів і двох нейтронів.
Але для утворення гелію-4 потрібні ядра дейтерію з одного протона й одного нейтрона.
Ці ядра не настільки стійкі. Вони розбивалися майже одразу після формування.
Але приблизно через 10 секунд після Великого вибуху Всесвіт охолов настільки, що дейтерій зміг утворюватися.
Тож ядра дейтерію почали зливатися, утворюючи ядра гелію.
Швидкість цього нуклеосинтезу залежала від густини речовини в ранньому Всесвіті: чим вища густина, тим швидше може відбуватися нуклеосинтез.
Згодом, через 20 хвилин після Великого вибуху, температура впала настільки, що нуклеосинтез більше не міг відбуватися.
Відтоді співвідношення між елементами перестали змінюватися.
Це ніби своєрідний знімок цього моменту.
Всесвіт і тепер містить 75% (сімдесят п'ять відсотків) гідрогену і 25% (двадцять п'ять відсотків) гелію.
На кожний мільйон ядер гідрогену припадає 26 ядер дейтерію.
Дейтерій (і це досить цікаво) стабільний, тобто не розпадається з часом.
І нам не відомі процеси, в яких він міг би синтезуватися у значних кількостях.
Окрім Великого вибуху.
А це означає, що практично весь дейтерій у Всесвіті сьогодні, включно з одним атомом дейтерію на 6000 (шість тисяч) атомів гідрогену у земній воді, був утворений не в зірках, а в перші 20 хвилин після Великого вибуху.
Найдавніше світло, яке можна спостерігати, - це реліктове або космічне мікрохвильове фонове випромінювання.
Післясвічення Великого вибуху, яке безперешкодно поширюється у Всесвіті з моменту, коли Всесвіту було всього лиш 400 000 (чотириста тисяч) років.
Ми можемо буквально порахувати ці фотони, і визначити густину випромінювання одразу після Великого вибуху.
А використовуючи відношення кількості ядер дейтерію до ядер гідрогену, ми можемо визначити відношення кількості баріонів до кількості фотонів.
Ось як ми з'ясували, що у Всесвіті повинно бути близько 5% (п’яти відсотків) баріонної речовини.
Наприкінці 1990-х вчені почали шукати всю цю баріонну речовину.
Це був своєрідний перепис.
Вчені врахували всі планети, зірки й чорні діри, галактики, пилові хмари й газ, тобто фактично все, що ви можете побачити або визначити існування за допомогою телескопа.
З'ясувалося, що вся речовина, яку ми вважаємо звичайною у нашому Всесвіті, становить усього лиш 20% від усієї баріонної речовини.
То де ж решта?
Ну, не вся звичайна речовина яскраво світиться або освітлюється прилеглими зірками.
Це не темна речовина, а звичайна, яка просто нічого не випромінює.
Тож, якщо ви хочете знайти ці баріони, то можете використати фонове підсвічування - яскраве джерело світла, яке розташоване дуже далеко, а отже дуже давно в ранньому Всесвіті.
І квазари - ідеальне підсвічування.
Їхня світність може в тисячі разів перевищувати світність цілих галактик.
Світло випромінюється акреційним диском надмасивної чорної діри в центрі галактики на початковому етапі розвитку.
І через велику відстань світло цих квазарів має велике червоне зміщення.
Наприклад, атом водню при переході з другого енергетичного рівня на перший (перехід Lα (Лайман-альфа)) дає ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 121,6 нм (сто двадцять один і шість десятих нанометра).
Але випромінювання квазара містить цю спектральну лінію на довжині хвилі понад 560 нм (п'ятсот шістдесят нанометрів).
Це жовте світло.
Найцікавішим є те, що ліворуч від цього піка можна побачити багато маленьких провалів.
Це лінії поглинання, пов'язані з нейтральними атомами водню, що лежать на прямій між нами й квазаром.
Коли світло від квазара досягає нейтрального водню, фотони, які можуть переводити електрони з першого на другий енергетичний рівень, поглинаються.
Це той самий перехід Лайман-альфа.
Але що ближчі до нас хмари нейтрального водню, то коротшим хвилям відповідатиме перехід Лайман-альфа, тож їхні спектральні лінії зазнають меншого червоного зміщення.
Такий спектр з проміжками часто називають лісом Лайман-альфа.
Це ніби одновимірна карта, яка показує нам, де і скільки нейтрального газоподібного водню є на лінії, що з'єднує нас із певним квазаром.
Додавання усього нейтрального газоподібного водню підіймає вміст баріонів до майже 50% (п'ятдесяти відсотків).
Але де ж друга половина баріонів?
Комп’ютерне моделювання всього Всесвіту показує, що решта баріонів міститься між галактиками у цих ниткоподібних структурах - філаментах.
І вони дуже роззосереджені - всього від однієї до десяти частинок на кубічний метр.
До того ж ці частинки іонізовані, тож вони поглинають світло не так, як нейтральний водень.
Їхня температура становить від 100 000 (ста тисяч) до 10 000 000 (десяти мільйонів) кельвінів, і деякі астрономи називають їх тепло-гарячими.
Тож ми маємо справу з тепло-гарячим міжгалактичним середовищем або скорочено WHIM.
Але виявити WHIM було справжнім випробуванням.
Через свою іонізованість і температуру вони випромінюють або поглинають лише високоенергетичні УФ та рентгенівські промені.
Деякі вчені застосовували дуже складні методи, щоб спробувати знайти WHIM, але недавно природне фізичне явище дозволило нам знайти всі баріони, яких не вистачало.
З’ясуймо, як це сталося.
Спочатку нам потрібно поговорити про блискавку.
Цікаво, до чого тут вона?
Гаразд. Чи знали ви, що можна виявити блискавку на іншому боці Землі?
Усе тому, що блискавка утворює спалах електромагнітного випромінювання в усіх частинах спектра.
Ми можемо бачити лише видиме світло, але існує ще широка частина спектра - радіохвилі.
І якби ви були неподалік, то змогли б зареєструвати радіоімпульс.
Низькочастотні радіохвилі можуть виходити за межі нижніх шарів атмосфери в іоносферу, стан якої визначається магнітним полем Землі, тож ці хвилі можуть обігнути Землю вздовж ліній магнітного поля, і їх можна буде зареєструвати в іншій півкулі.
От тільки, якщо їх виявлять, то зареєструють не як один імпульс.
Натомість імпульс розтягнеться у своєрідний "свист".
Якщо відтворити ці радіохвилі як звук, то можна почути ось це. [звук]
Ви чуєте цей низхідний тон, який нагадує "постріл" лазерного пістолета з фільмів?
Так, це блискавка з іншого боку Землі.
То що тут відбувається?
Коли радіохвилі поширюються в магнітосфері Землі, вони через взаємодію з вільними електронами уповільнюються.
І таке уповільнення тим більше чим нижча частота хвилі.
Це називається дисперсією.
Так само як скляна призма розкладає біле світло на кольори, плазма в магнітосфері розділяє радіохвилі на частотний спектр: низькочастотні хвилі уповільнюються сильніше.
Тож початковий короткий імпульс перетворюється на свист.
А величина дисперсії показує, скільки вільних електронів було на шляху цієї радіохвилі до детектора.
Тепер уявіть, що ми могли б зробити щось дуже схоже, аби знайти всі йонізовані баріони у Всесвіті.
Все, що нам потрібно, - то це яскравий спалах радіохвиль десь далеко у Всесвіті.
І якраз в потрібний момент у 2007 році астрономи виявили перший швидкий радіосплеск, тобто дуже короткий (мілісекундний) і дуже інтенсивний імпульс радіохвиль.
Цей імпульс прийшов з глибокого Всесвіту, від інших галактик.
Такі імпульси можуть бути надзвичайно потужними: у мільярди чи трильйони разів потужнішими, ніж Сонце, але тривають вони не більше кількох мілісекунд.
Ми насправді не знаємо, що їх генерує.
Хоча деякі вчені підозрюють, що це магнетари або ж зіткнення дуже масивних компактних об’єктів, як-от чорних дір і нейтронних зірок.
Але для наших цілей нам потрібно лиш знати, що ці спалахи існують, і що ми можемо проаналізувати їхню дисперсію, аби з’ясувати, скільки іонізованих баріонів знаходиться між нами та джерелом.
І це саме те, що було зроблено в одній зі статей у журналі “Nature”.
Автори розрахували значення дисперсії кількох із цих швидких радіосплесків в порівнянні з червоним зміщенням материнської галактики.
Вони виявили, що чим далі відбувалися ці швидкі радіосплески, тим більшою була дисперсія їхнього сигналу.
І справді, завдяки своїм вимірюванням вони змогли оцінити кількість баріонної речовини, до якої відносяться всі йонізовані частинки у WHIM.
Таким чином вони нарахували якраз п’ять відсотків.
Баріони, яких не вистачало, знайшлись.
Приблизно 50 відсотків з них знаходяться в тепло-гарячому міжгалактичному середовищі, що підтверджує наші попередні міркування й оцінки.
Знаєте, що здивувало мене найбільше?
Це усвідомлення того, наскільки мало звичайної речовини після Великого вибуху потрапило у зірки та галактики, які я зазвичай вважав головними у Всесвіті.
Ні, у них приблизно 10 або 20 відсотків усієї баріонної речовини.
Виявляється, утворення цих цікавих структур є насправді неефективним процесом.
Але це відкриття є іще одним тріумфом науки.
Ці комп’ютерні симуляції, зроблені десятки років тому, виявилися правильними, тож усіх причетних варто привітати.
Але це також підкреслює для мене різницю між вченими та невченими.
Складається враження, що невчені люблять мати рацію, їм подобається, коли все йде так, як вони очікували.
А вчені натомість хочуть, щоб все склалося не так, як очікувалось, тому що саме так ми отримуємо свідчення того, що нова фізика все ще може бути відкрита.
Гадаю, поки що нам доведеться задовольнятися тим, що ми маємо рацію.
