Невидимая темная материя и темная энергия составляют около 95% общей массы и энергии Вселенной, и большинство из 5%, которые считаются обычной материей, также в значительной степени невидимы, например, газы на окраинах галактик, составляющие их так называется ореолом.
Большая часть этой обычной материи состоит из нейтронов и протонов – частиц, называемых барионами, которые существуют в ядрах таких атомов, как водород и гелий.
Только около 10% барионной материи находится в форме звезд, а большая часть остального населяет пространство между галактиками в виде нитей горячего, разрозненного вещества, известного как теплая-горячая межгалактическая среда, или WHIM.
Поскольку барионы настолько разбросаны в космосе, ученым было трудно получить четкое представление об их местоположении и плотности вокруг галактик.
Из-за этой неполной картины того, где находится обычная материя, большинство барионов Вселенной можно рассматривать как "отсутствующие"."
Теперь международная группа исследователей, ключевую роль в которой играют физики из Университета штата Нью-Йорк.S.
Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) и Корнельский университет нанесли на карту местоположение этих недостающих барионов, предоставив лучшие на сегодняшний день измерения их местоположения и плотности вокруг групп галактик.
Оказывается, барионы все-таки находятся в гало галактик, и что эти гало простираются намного дальше, чем предсказывали популярные модели.
Хотя большинство звезд отдельной галактики обычно находится в области, расположенной примерно в 100000 световых лет от центра галактики, эти измерения показывают, что для данной группы галактик самые далекие барионы могут простираться примерно на 6 миллионов световых лет от их центра. центр.
Парадоксально, но эту недостающую материю даже сложнее отобразить, чем темную материю, которую мы можем наблюдать косвенно через ее гравитационное воздействие на нормальную материю.
Темная материя – это неизвестное вещество, составляющее около 27% Вселенной; а темная энергия, которая с ускорением разгоняет материю во Вселенной, составляет около 68% Вселенной.
"Лишь несколько процентов обычного вещества имеет форму звезд.
Большая часть его находится в форме газа, который обычно слишком слабый и слишком диффузный, чтобы его можно было обнаружить », – сказал Эммануэль Шаан, научный сотрудник отделения физики лаборатории Беркли и ведущий автор одной из двух опубликованных статей о пропавших барионах. 15 марта в журнале Physical Review D.
Исследователи использовали процесс, известный как эффект Сюняева-Зельдовича, который объясняет, как электроны реликтового излучения получают прирост энергии за счет процесса рассеяния, когда они взаимодействуют с горячими газами, окружающими скопления галактик.
«Это прекрасная возможность заглянуть за пределы положения галактик и скорости галактик», – сказала Симоне Ферраро, научный сотрудник физического отдела лаборатории Беркли, который участвовал в обоих исследованиях. "Наши измерения содержат много космологической информации о том, как быстро движутся эти галактики.
Он дополнит измерения, которые проводят другие обсерватории, и сделает их еще более мощными », – сказал он.
Команда исследователей Корнельского университета, в состав которой входят научный сотрудник Стефания Амодео, доцент. Профессор Николас Батталья и аспирантка Эмили Мозер руководили моделированием и интерпретацией измерений и исследовали их последствия для слабого гравитационного линзирования и образования галактик.
Компьютерные алгоритмы, разработанные исследователями, должны оказаться полезными при анализе данных "слабого линзирования" будущих экспериментов с высокой точностью.
Явление линзирования возникает, когда массивные объекты, такие как галактики и скопления галактик, примерно выровнены по определенной линии, так что гравитационные искажения фактически искривляют и искажают свет от более удаленного объекта.
Слабое линзирование – один из основных методов, используемых учеными для понимания происхождения и эволюции Вселенной, включая изучение темной материи и темной энергии.
Изучение местоположения и распределения барионной материи делает эти данные доступными.
«Эти измерения имеют большое значение для слабого линзирования, и мы ожидаем, что этот метод будет очень эффективным при калибровке будущих съемок со слабым линзированием», – сказал Ферраро.
Шаан отметил: «Мы также получаем информацию, имеющую отношение к формированию галактик."
В последних исследованиях исследователи опирались на набор данных о галактиках из наземного спектроскопического обзора барионных колебаний (BOSS) в Нью-Мексико, данные реликтового излучения с Космологического телескопа Атакама (ACT) в Чили и космического телескопа Planck Европейского космического агентства. Лаборатория Беркли сыграла ведущую роль в картировании BOSS и разработала вычислительную архитектуру, необходимую для обработки данных Planck в NERSC.
Созданные ими алгоритмы извлекают выгоду из анализа с использованием суперкомпьютера Cori в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC), финансируемом Министерством энергетики США. Алгоритмы подсчитывали электроны, что позволяло им игнорировать химический состав газов.
«Это как водяной знак на банкноте», – объяснил Шаан. "Если вы поместите его перед подсветкой, водяной знак будет выглядеть как тень.
Для нас подсветка – это космический микроволновый фон. Он служит для освещения газа сзади, поэтому мы можем видеть тень, когда реликтовый свет проходит через этот газ."
Ферраро сказал: «Это первое действительно важное измерение, которое действительно определяет место, где находился газ."
Новое изображение гало галактик, созданное исследователями с помощью программного обеспечения ThumbStack: массивные нечеткие сферические области, простирающиеся далеко за пределы областей, освещенных звездами. Это программное обеспечение эффективно при нанесении на карту этих гало даже для групп галактик с гало малой массы и для тех, которые очень быстро удаляются от нас (известных как галактики с "большим красным смещением").
Новые эксперименты, которые должны извлечь выгоду из инструмента картирования гало, включают спектроскопический прибор темной энергии, обсерваторию Веры Рубин, римский космический телескоп Нэнси Грейс и космический телескоп Евклида.
NERSC – это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США.