Быстрые радиовсплески помогли учёным впервые точно определить распределение всей барионной материи во Вселенной

Группа астрономов из Калифорнийского технологического института, Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) и ряда международных научных организаций представила результаты, которые решают одну из самых продолжительных загадок космологии — обнаружение так называемой «пропавшей» барионной материи. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal и основано на анализе быстрых радиовсплесков (FRB), ставших новым инструментом для изучения крупномасштабной структуры Вселенной.

Проблема недостающей материи была выявлена ещё в конце 1990-х годов. Согласно теоретическим моделям и данным реликтового излучения, обычная материя (барионы) должна составлять около 16 % от общего количества вещества и энергии Вселенной. Однако наблюдения звёзд, газа в галактиках и скоплениях галактик фиксировали только примерно половину ожидаемой массы. Учёные предполагали, что остальная часть рассредоточена в форме крайне разреженного газа между галактиками, но подтвердить это не удавалось — существующие методы не позволяли зафиксировать столь тонкие структуры.

Ключ к решению задачи предоставили быстрые радиовсплески — мощные импульсы радиоволн длительностью всего несколько миллисекунд, которые приходят из отдалённых галактик. По мере прохождения через межгалактическую среду сигналы FRB взаимодействуют с электронами, вызывая дисперсию: радиоволны разных частот распространяются с разной скоростью, что позволяет измерить количество вещества на пути сигнала.

Исследование основано на анализе 69 FRB, зафиксированных различными радиотелескопами за последние пять лет. Среди них оказался рекордно далёкий всплеск FRB 20230521B, пришедший с расстояния 9,1 млрд световых лет. Особенностью работы стало то, что для каждого FRB удалось точно определить его галактику-источник. Для этого использовался радиотелескопический массив DSA-110, обеспечивающий локализацию до 0,1 угловой секунды. Дополнительно применялись данные оптических обсерваторий Кека, Паломара, а также радиотелескопа ASKAP в Австралии и других инструментов.

Результаты показали, что 76 % барионной материи находится в межгалактическом газе, образующем «космическую паутину» — сеть нитей тёплой плазмы между скоплениями галактик. Около 15 % вещества сосредоточено в гало галактик, а 9 % — в звёздах, планетах и межзвёздном газе самих галактик. Эти данные совпадают с прогнозами стандартной модели ΛCDM (Λ-холодная тёмная материя), подтвердив её правильность. Ранее отсутствие наблюдательных подтверждений вызывало сомнения в адекватности модели и побуждало к поиску альтернатив.

Авторы исследования подчеркивают, что использование FRB открывает новые горизонты в космологии. Эти сигналы можно применять для уточнения параметров крупномасштабной структуры Вселенной, изучения свойств нейтрино, а также поиска взаимодействий тёмной материи с барионной. Уже в 2025 году к работе подключится новый радиотелескоп DSA-2000 в Неваде, который сможет регистрировать до 10 000 FRB ежегодно, что позволит в разы повысить точность и масштаб подобных исследований.

«FRB подсветили невидимую Вселенную, подобно фонарю в тумане. Теперь мы можем рассматривать их как универсальный инструмент для изучения космоса», — отметил Лиам Коннор, ведущий автор работы. По словам соавтора Веры Глушевич (USC), впервые удалось смоделировать и наблюдать распределение материи при самых разных условиях, что открывает путь к новым открытиям в физике и астрофизике.