XMM-Newton znajduje brakującą materię międzygalaktyczną

Po trwających blisko dwadzieścia lat kosmicznych poszukiwaniach, astronomowie korzystający z kosmicznego obserwatorium XMM-Newton znaleźli w końcu dowody na istnienie gorącego, rozproszonego gazu przenikającego kosmos, składnik „normalnej” materii we Wszechświecie.

Podczas, gdy tajemnicza ciemna materia i ciemna energia stanowią odpowiednio około 25% i 70% naszego kosmosu, zwykła materia, która tworzy wszystko, co widzimy – od gwiazd i galaktyk, po planety i ludzi – stanowi tylko około 5%.

Jednak nawet te 5% okazuje się dość trudne do wyśledzenia.

Całkowitą ilość zwykłej materii (określanej przez astronomów barionową) można oszacować na podstawie obserwacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, które jest najstarszą poświatą w historii Wszechświata, sięgającą zaledwie ok. 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.

Obserwacje bardzo odległych galaktyk pozwalają astronomom śledzić ewolucję tej materii w pierwszych kilku miliardach lat istnienia Wszechświata. Po tym okresie jednak wydaje się, jakby ponad połowa jej zaginęła.

Jak podkreślają astronomowie, brakujące bariony stanowią największą zagadkę współczesnej astrofizyki.

Przeliczając populację gwiazd w galaktykach we Wszechświecie oraz gaz międzygwiazdowy, który przenika galaktyki – materiał do produkcji gwiazd – wiemy, że stanowi tylko 10% całej zwykłej materii. Dodanie do tego gorącego, rozproszonego gazu w halo otaczającego galaktyki i jeszcze gorętszy gaz, który wypełnia gromady galaktyk będące największymi kosmicznymi strukturami utrzymywanymi razem przez grawitację, podnosi tę liczbę do mniej niż 20%.

Jednak nie jest to zaskakujące: gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk tworzą się w najgęstszych zgrupowaniach kosmicznej sieci, włóknistym rozkładzie zarówno ciemnej jak i zwykłej materii, która rozciąga się w całym Wszechświecie. Podobnie jak te gęste miejsca, istnieją także rzadkie, więc nie jest to najlepsze miejsce do poszukiwania większości kosmicznej materii.

Astronomowie podejrzewali, że „brakujące” bariony muszą się czaić we wszechobecnych włóknach kosmicznej sieci, gdzie materia jest mniej gęsta a zatem trudniejsza do zaobserwowania. Przez lata, korzystając z różnych technik, udało im się zlokalizować znaczną ilość tej międzygalaktycznej materii, zwiększając całkowitą ilość do aż 60%.

Wielu spośród astronomów z całego świata jest na tropie pozostałych barionów od blisko dwóch dziesięcioleci, od kiedy obserwatoria rentgenowskie, takie jak XMM-Newton i Chandra stały się dostępne dla społeczności naukowej.

Obserwując w tej części widma elektromagnetycznego, potrafią wykryć gorący gaz międzygalaktyczny o temperaturze około miliona i więcej stopni, który blokuje promieniowanie rentgenowskie emitowane przez jeszcze bardziej odległe źródła. 

W tym projekcie Fabrizio Nicastro, główny autor artykułu wraz ze swoimi współpracownikami wykorzystał XMM-Newton do przyjrzenia się kwazarowi – masywnej galaktyce z supermasywną czarną dziurą w centrum, która aktywnie pochłania materię i świeci jasno w od promieni X po fale radiowe. Obserwowali tego kwazara, który jest odległy od nas o 4 mld lat świetlnych, łącznie przez 18 dni między 2015 a 2017 rokiem. Była to najdłuższa jak dotąd obserwacja rentgenowska tego typu źródła.

Po przejrzeniu danych astronomowie znaleźli ślady tlenu w gorącym gazie międzygalaktycznym znajdującym się pomiędzy nami a odległym kwazarem. To tam właśnie znajdują się ogromne rezerwuary związków chemicznych – w tym tlenu – i właśnie w takiej ilości, w jakiej naukowcy się spodziewali, więc wydaje się, że w końcu można wypełnić lukę brakującej materii barionowej.

Ten niezwykły wynik jest początkiem nowych poszukiwań. Potrzebne są obserwacje różnych źródeł na niebie aby potwierdzić, czy odkrycia te są naprawdę uniwersalne, oraz aby dalej badać stan fizyczny tej długo poszukiwanej materii.

Fabrizio i jego koledzy planują w nadchodzących latach badać więcej kwazarów przy pomocy obserwatoriów XMM-Newton oraz Chandra. Aby w pełni zbadać rozmieszczenie i właściwości tego tak zwanego ciepło-gorącego międzygalaktycznego medium, potrzebne będą bardziej czułe instrumenty, takie jak Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics), który ma zostać wyniesiony na orbitę w 2028 roku.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
XMM-Newton Finds Missing Intergalactic Material

Źródło: ESA

Na zdjęciu: Wizja artystyczna przedstawiająca ciepłe, międzygalaktyczne medium, mieszanki gazu o temperaturach od setek tysięcy stopni (ciepłych) do milionów stopni (gorących), która przenika włóknistą kosmiczną sieć. Źródło: Ilustracja i skład - ESA / ATG medialab; dane - ESA / XMM-Newton / F. Nicastro i inni 2018; symulacja kosmologiczna - R. Cen