Astronomii au bănuit în ultimii 20 de ani unde se ascunde materia lipsă a universului. Dar de ce a durat atât de mult să o găsim?
Universul se joaca de-a v-ați ascunselea. Uneori însă, chiar și atunci când astronomii au o bănuială unde se poate ascunde ceea ce caută, le poate lua decenii de căutări pentru a o confirma. Cazul materiei lipsă din univers – un caz care pare a fi închis astăzi – este o astfel de situație.
În anii 1980, oamenii de știință știau ca pot observa doar o mică fracțiune din materia atomică – sau materia barionică. Știm ca materia reprezintă aproximativ 5% din univers – restul este energie întunecată și materie întunecată. Dar dacă ar număra toate lucrurile pe care le puteau vedea în univers – stele și galaxii – cea mai mare parte a materiei obișnuite tot ar lipsi.
Cât de multă materie lipsea și unde se putea ascunde, au fost întrebări care nu-și găsiseră un răspuns. În acest timp, astronomul David Tytler de la Universitatea din California, San Diego, a venit cu o modalitate de a măsura cantitatea de deuteriu din lumina unor quasari îndepărtați, folosind noul spectrograf la telescopul Keck din Hawaii. Datele lui Tytler au ajutat pe cercetători să înțeleagă câți barioni lipsesc în universul de astăzi, odată ce toate stelele și gazele vizibile sunt reprezentate: 90%!
Aceste rezultate au declanșat o furtună de controverse. Romeel Dave, un astronom de la Universitatea din Edinburg a spus că Tytler ar putea avea dreptate.
În 1998, Jeremiah Ostriker și Renyue Cen, astrofizicieni de la Universitatea Princeton, au creat un model cosmologic care a urmărit istoria universului încă de la începuturile sale. Modelul a sugerat că materia dispărută ar putea să existe sub formă de gaz difuz (și să fie nedetectabilă la acea dată) între galaxii.
Dave ar fi putut fi primul care să spună unde se găsesc barionii lipsă, înaintea lui Ostriker și Cen. Cu câteva luni de zile înainte de a-și publica lucrarea, Dave a făcut primul set de simulări cosmologice, care au făcut parte din doctoratul său. Teza sa asupra distribuției barionilor a sugerat că materia ar putea fi ascunsă în plasma dintre galaxii.
Au apărut tot mai multe instrumente mai sofisticate, iar în anul 2003, WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), a măsurat densitatea barionică a universului, așa cum era ea acum 380.000 de ani după Big Bang. S-a dovedit a fi aceeași densitate cu cea indicată de modelele cosmologice. Un deceniu mai târziu, satelitul Planck a confirmat aceste rezultate.
Odată cu eșecul de a găsi stele și galaxii ascunse unde ar putea să se ascundă materia nedetectată, atenția s-a îndreptat către spațiul dintre galaxii – mediul intergalactic distribuit pe miliarde de ani lumină, dar cu o densitate foarte scăzută. Acest spațiu a fost numit WHIM (warm-hot intergalatic medium). Materia lipsă se ascundea în filamentele dintre galaxii.
Unul dintre motivele pentru care a durat atât de mult descoperirea materiei lipsă este faptul că densitatea materiei între galaxii este extrem de scăzută. Celălalt motiv este că temperatura înaltă a filamentelor face ca elementul cel mai abundent (hidrogenul) să fie aproape complet ionizat – ceea ce înseamnă că nu are electroni care să producă caracteristici spectrale care ar putea fi folosite pentru detectarea acestuia. Cu toate acestea, ar putea exista urme de elemente mai grele, cum ar fi oxigenul, în care sunt legați câțiva electroni. Acești ioni pot produce caracteristici spectrale detectabile (dar extrem de slabe), de obicei în regiunile cu raze X și / sau ultraviolete ale spectrului electromagnetic.
Nicastro și alți colaboratori au observat razele X emise de un tip special de obiect astronomic cunoscut ca obiect BL Lacertae. Acestea sunt în mod obișnuit extrem de strălucitoare și nu au caracteristici spectrale intriseci (sau foarte puține) – cea ce face ușor detectarea oricărei absorbții a emisiilor altor obiecte aflate între acestea și Pământ, cum ar fi filamentele din rețeaua cosmică.
Obiectul studiat este numit 1ES 1553 + 113, și se află la peste 2.200 megaparseci distanță. Nicastro au observat acest obiect cu Telescopul Spațial XMM-Newton al Agenției Spațiale Europene timp de 20 de zile. Au obținut astfel un spectru cu un raport semnal-zgomot extrem de ridicat, care le-a permis să efectueze spectroscopie de înaltă rezoluție a caracteristicilor spectrale foarte slabe.
Acest tip de observare, care necesită mai mult de un milion de secunde de timp de expunere (aproximativ 20 zile) împinge cu adevărat limitele instrumentelor disponibile. Misiunile spațiale propuse, cum ar fi Universe Baryon Surveyor și Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, vor avea spectrometre mult mai sensibile la razele X și vor putea oferi o hartă completă a barionilor în această rețea cosmică uriașă. (Foto: Nature.com)
O altă abordare pentru detectarea materiei constă în folosirea unui fenomen cunoscut sub numele de efectul Sunyaev-Zel’dovici, în care electronii de înaltă energie împrăștie fotoni în fundalul cosmic de microunde, distorsionând astfel ușor spectrul CMB. Electronii cu energie înaltă din afara galaxiilor și, probabil, și în filamentele rețelei cosmice, ar putea produce o distorsiune, dând un semnal care indică prezența barionilor. În același timp, constatările lui Nicastro și colegii lui oferă o minunată privire a unde se ascunde materia lipsă.
