Hvor gemmer universet sin manglende masse?

Astronomer har brugt årtier på at lede efter noget, der lyder som om det ville være svært at gå glip af:omkring en tredjedel af det "normale" stof i universet. Nye resultater fra NASAs Chandra X-ray Observatory kan have hjulpet dem med at lokalisere denne undvigende flade af manglende stof.

Fra uafhængig, veletablerede observationer, videnskabsmænd har selvsikkert beregnet, hvor meget normalt stof - hvilket betyder brint, helium og andre grundstoffer - fandtes lige efter Big Bang. I tiden mellem de første par minutter og den første milliard år eller deromkring, meget af det normale stof gik ind i kosmisk støv, gas og objekter som stjerner og planeter, som teleskoper kan se i nutidens univers.

Problemet er, at når astronomer summerer massen af ​​alt det normale stof i det nuværende univers, kan omkring en tredjedel af det ikke findes. (Dette manglende stof er forskelligt fra det stadig mystiske mørke stof.)

En idé er, at den manglende masse samlede sig i gigantiske tråde eller filamenter af varme (temperatur mindre end 100, 000 Kelvin) og varm (temperatur højere end 100, 000 Kelvin) gas i det intergalaktiske rum. Disse filamenter er kendt af astronomer som det "varme-varme intergalaktiske medium" eller WHIM. De er usynlige for optiske lysteleskoper, men noget af den varme gas i filamenter er blevet detekteret i ultraviolet lys.

Ved at bruge en ny teknik, forskere har fundet nye og stærke beviser for den varme komponent af WHIM baseret på data fra Chandra og andre teleskoper.

"Hvis vi finder denne manglende masse, vi kan løse en af ​​de største gåder inden for astrofysik, " sagde Orsolya Kovacs fra Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) i Cambridge, Massachusetts. "Hvor gemte universet så meget af sit stof, der udgør ting som stjerner og planeter og os?"

Astronomer brugte Chandra til at lede efter og studere filamenter af varm gas, der lå langs stien til en kvasar, en lys kilde til røntgenstråler drevet af et hurtigt voksende supermassivt sort hul. Denne kvasar er placeret omkring 3,5 milliarder lysår fra Jorden. Hvis WHIM's varme gaskomponent er forbundet med disse filamenter, nogle af røntgenstrålerne fra kvasaren ville blive absorberet af den varme gas. Derfor, de ledte efter en signatur af varm gas indprentet i kvasarens røntgenlys, opdaget af Chandra.

En af udfordringerne ved denne metode er, at signalet om absorption af WHIM er svagt sammenlignet med den samlede mængde røntgenstråler, der kommer fra kvasaren. Når man søger i hele spektret af røntgenstråler ved forskellige bølgelængder, det er vanskeligt at skelne sådanne svage absorptionstræk - faktiske signaler fra WHIM - fra tilfældige udsving.

Kovacs og hendes team overvandt dette problem ved kun at fokusere deres søgning på visse dele af røntgenlysspektret, reducerer sandsynligheden for falske positiver. Det gjorde de ved først at identificere galakser nær synslinjen til kvasaren, der er placeret i samme afstand fra Jorden som områder med varm gas, der er detekteret fra ultraviolette data. Med denne teknik identificerede de 17 mulige filamenter mellem kvasaren og os, og opnåede deres afstande.

På grund af universets udvidelse, som strækker lyset ud, mens det rejser, enhver absorption af røntgenstråler af stof i disse filamenter vil blive forskudt til rødere bølgelængder. Størrelsen af ​​forskydningerne afhænger af de kendte afstande til filamentet, så holdet vidste, hvor de skulle søge i spektret efter absorption fra WHIM.

"Vores teknik ligner i princippet, hvordan man kan udføre en effektiv søgning efter dyr på de store sletter i Afrika, " sagde Akos Bogdan, en medforfatter også fra CfA. "Vi ved, at dyr skal drikke, så det giver mening at søge rundt i vandhuller først."

Mens indsnævring af deres søgning hjalp, forskerne skulle også overvinde problemet med svagheden af ​​røntgenabsorptionen. Så, de forstærkede signalet ved at lægge spektre sammen fra 17 filamenter, gør en 5,5 dage lang observation til, hvad der svarer til næsten 100 dages data. Med denne teknik detekterede de ilt med karakteristika, der tyder på, at det var i en gas med en temperatur på omkring en million grader Kelvin.

Ved at ekstrapolere fra disse observationer af oxygen til det fulde sæt af elementer, og fra det observerede område til lokaluniverset, forskerne rapporterer, at de kan redegøre for hele mængden af ​​manglende stof. I det mindste i dette særlige tilfælde, det forsvundne stof havde trods alt gemt sig i LYKKET.

"Vi var begejstrede for, at vi var i stand til at spore noget af denne manglende sag," sagde medforfatter Randall Smith, også af CfA. "I fremtiden kan vi anvende den samme metode på andre kvasardata for at bekræfte, at dette langvarige mysterium endelig er blevet knækket."

Et papir, der beskriver disse resultater, blev offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift den 13. februar, 2019.