Μυστηριώδεις εκλάμψεις ραδιοκυμάτων βοηθούν να βρούμε τη «χαμένη ύλη» του Σύμπαντος

Η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή κόπιασμα αποτελούν το 95,1% του Σύμπαντος. Η σκοτεινή ύλη (26,8%) είναι μια αινιγματική επισημασία που διαμορφώνει τον κόσμο, ενώ η σκοτεινή κόπιασμα (68,3%) είναι μια δύναμη που επιταχύνει τον ρυθμό επέκτασης του Σύμπαντος. Και οι 2 είναι αδύνατο να παρατηρηθούν άμεσα, αλλά μπορούν να ανιχνευθούν λόγω των βαρυτικών τους επιδράσεων.

Ωστόσο, το υπόλοιπο Σύμπαν (4,9%) αποτελείται από βαρυονική ύλη – ή «συνήθης ύλη» όπως αποκαλείται –η οποία απαρτίζεται από άτομα. Ενώ οι αστρονόμοι πίστευαν ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης αυτής επιπλέει στους χώρους μεταξύ των γαλαξιών – το αποκαλούμενο διαγαλαξιακό μέσο – ή μέσα στα «φωτοστέφανα» των γαλαξιών – τεράστιες, σφαιρικές περιοχές που περιλαμβάνουν αστέρια και καυτό αέριο – δεν μπορούσαν να την μετρήσουν. Αυτό συμβαίνει επειδή η συνήθης ύλη εκπέμπει φως σε διαφορετικά μήκη κύματος, αλλά το μεγαλύτερο μέρος της είναι τόσο διάχυτο που είναι σαν να προσπαθείς να εντοπίσεις ομίχλη, λένε οι αστρονόμοι.

Καλλιτεχνική απεικόνιση της συνήθους ύλης εκρήξεις χρώματος στους χώρους μεταξύ των γαλαξιών

Jack Madden/IllustrisTNG/Ralf Konietzka/Liam Connor/CfA

Η αδυναμία ανίχνευσης κατά πρόσβαση του μισού της συνήθους ύλης του Σύμπαντος οδήγησε σε μια δεκαετή κοσμολογική διαμάχη που ονομάστηκε «το πρόβλημα των χαμένων βαρυονίων». Τώρα, ο επίκουρος καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ Liam Connor και οι συνεργάτες του κατάφεραν να εντοπίσουν τη χαμένη ύλη χρησιμοποιώντας τις ταχείες εκλάμψεις ραδιοκυμάτων (fast vigor bursts ή FRB), και δημοσίευσαν τη σχετική διάβασμα στο έντυπο Nature Astronomy.

«Οι FRB λάμπουν μέσα από την όρφνη του διαγαλαξιακού μέσου και, μετρώντας με ακρίβεια τον τρόπο με τον οποίο επιβραδύνεται το φως, μπορούμε να ζυγίσουμε αυτή την ομίχλη, ακόμα και όταν είναι πολύ αχνή για να την δούμε», δήλωσε ο Connor, κύριος συγγραφέας της μελέτης.

Περισσότερες από χίλιες FRB έχουν ανιχνευθεί από την ανακάλυψή τους το 2007. Σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης, μόνο κατά πρόσβαση 100 έχουν εντοπιστεί σε γαλαξίες. Οι αστρονόμοι δεν είναι ακόμα σίγουροι για τις ακριβείς αιτίες πίσω από τις εκλάμψεις, αλλά η ανακάλυψη περισσότερων από αυτές θα μπορούσε να αποκαλύψει την προέλευσή τους.

Οι 69 FRB που εξετάστηκαν στη διάβασμα βρίσκονται σε αποστάσεις που κυμαίνονται από 11,74 εκατομμύρια ως ωσπεράν 9,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Η FRB 20230521B, που ανακαλύφθηκε κατά τη διάρκεια της έρευνας, είναι η πιο απομακρυσμένη ταχεία έκλαμψη ραδιοκυμάτων που έχει παρατηρηθεί ως σήμερα.

Πώς μετρήθηκε η αόρατη ύλη

Όταν τα ραδιοκύματα ταξιδεύουν ως ταχείες εκλάμψεις προς τη Γη, το φως τους μπορεί να μετρηθεί σε διαφορετικά μήκη κύματος που εξαπλώνονται. Το πόσο εξαπλώνεται το φως εξαρτάται από την ποσότητα της ύλης που βρίσκεται στη διαδρομή του. Η τάχος των FRB μπορεί να επηρεαστεί από το μέσο από το οποίο ταξιδεύουν, πράγμα που σημαίνει ότι διαφορετικά μήκη κύματος φωτός φτάνουν σε διαφορετικούς χρόνους. Ενώ τα μακρά, κόκκινα μήκη κύματος ταξιδεύουν πιο αργά για να φτάσουν στη Γη, τα μικρότερα, μπλε μήκη κύματος φτάνουν πιο γρήγορα. Κάθε μήκος κύματος επέτρεψε στους αστρονόμους να μετρήσουν την αόρατη ύλη.

Για να ταυτοποιήσει τις περισσότερες από τις ταχείες εκλάμψεις ραδιοκυμάτων της μελέτης, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε το Deep Synoptic Array, ένα δίκτυο 110 ραδιοτηλεσκοπίων που βρίσκεται κοντά στο Μπίσοπ της Καλιφόρνια

Vikram Ravi/Caltech/OVRO

Αφού χαρτογράφησε όλες τις FRB και την ύλη που διέσχισαν και φώτισαν, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το 76% της κοσμικής ύλης υπάρχει ως καυτό αέριο χαμηλής πυκνότητας στο διαγαλαξιακό μέσο, το διάστημα μεταξύ των γαλαξιών. Ένα άλλο 15% βρίσκεται σε γαλαξιακά «φωτοστέφανα», ενώ το υπόλοιπο βρίσκεται μέσα στους ίδιους τους γαλαξίες ως αστέρια, πλανήτες ή κρύο αέριο.

«Το “πρόβλημα των χαμένων βαρυονίων” που υπάρχει εδώ και δεκαετίες δεν αφορούσε ποτέ την υπόσταση της ύλης», δήλωσε ο Connor. «Το θέμα ανέκαθεν ήταν “πού βρίσκεται;”. Τώρα, θέλγητρο στις FRB, γνωρίζουμε: Τα 3 τέταρτα της επιπλέουν μεταξύ των γαλαξιών στον κοσμικό ιστό».

Η κατανόηση της κατανομής της συνήθους ύλης μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν πώς αναπτύσσονται και εξελίσσονται οι γαλαξίες. «Αρχίζουμε να βλέπουμε τη στήσιμο και τη σύνταξη του Σύμπαντος με εντελώς νέα ματιά, θέλγητρο στις FRB. Αυτές οι ταχείες εκλάμψεις μας επιτρέπουν να εντοπίσουμε την αόρατη ύλη που γεμίζει τους τεράστιους χώρους μεταξύ των γαλαξιών», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Vikram Ravi, επίκουρος καθηγητής αστρονομίας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech).

Με πληροφορίες από: Mysterious accelerated vigor bursts assistance astronomers pinpoint cosmic ‘missing’ matter by Ashley Strickland, CNN