Astronomii au localizat materia lipsă din univers
Un studiu condus de Universitatea McGill din Canada a confirmat că unele FRB-uri (explozii radio rapide) provin din stele neutronice, pe baza polarizării și comportamentului unui semnal detectat. Un studiu condus de MIT a susținut această afirmație prin identificarea „sclipirii”, indicând o sursă compactă de emisie. Aceste descoperiri întăresc argumentul că stelele neutronice generează FRB-uri, contestând modelele teoretice anterioare
Folosind radiotelescopul DSA-110 de la Caltech (California Institute of Technology), astronomii au identificat unde se află „ceața” dintre galaxii.
Timp de decenii, astronomii s-au confruntat cu o enigmă majoră: o mare parte din materia obișnuită a universului părea să fi dispărut. În ciuda progreselor tehnologice și a numeroaselor ipoteze, era imposibil să se descopere această masă lipsă. Dar astăzi, datorită unei metode neașteptate și semnalelor venite de la galaxii îndepărtate, o echipă de cercetători susține că a rezolvat în sfârșit acest mister cosmic. Ce se ascunde în spatele acestei descoperiri? Și, mai important, unde era această materie pe care nimeni nu o putea vedea?
Marea majoritate a materiei din univers este materie întunecată – este complet invizibilă și detectabilă doar prin efectele sale gravitaționale. Materia obișnuită – totul, de la protoni la planete și oameni – reprezintă doar 16%. Spre deosebire de materia întunecată, materia obișnuită emite lumină de diferite lungimi de undă și, prin urmare, poate fi văzută. Dar o mare parte din ea este difuză și dispersată rarefiat printre halourile care înconjoară galaxiile, precum și în spațiile vaste dintre galaxii.
Datorită naturii sale difuze, aproximativ jumătate din materia obișnuită din univers a rămas neidentificată și a fost considerată „lipsă” – până acum.
Această „materie lipsă” nu se referă la materia întunecată, substanța misterioasă care rămâne practic invizibilă deoarece nu interacționează cu lumina (din păcate, aceasta rămâne o enigmă continuă). În schimb, este vorba de „materie obișnuită” alcătuită din atomi, compuși din electroni, protoni și neutroni (numiți colectiv barioni), care alcătuiesc stelele, planetele, sateliții și corpurile noastre.
Ce este materia obișnuită?
Când vorbim despre materia obișnuită, vorbim despre tot ceea ce vedem și atingem în jurul nostru: oameni, plante, animale, Pământul, stele, planete… pe scurt, tot ceea ce este format din atomi. Această materie este numită și materie barionică, deoarece este compusă din protoni și neutroni. Deși pare să fie peste tot, ea reprezintă de fapt doar o mică fracțiune din univers, adică doar aproximativ 5%. Restul este alcătuit din materie întunecată și energie întunecată, forme misterioase pe care încă nu le vedem clar, dar ale căror efecte sunt foarte reale.
Materia obișnuită nu a dispărut niciodată
Oamenii de știință știau de mult timp că materia obișnuită există, dar o mare parte din ea părea să lipsească din univers. Aceasta este ceea ce s-a numit „problema barionilor lipsă”, un mister cosmic vechi de decenii. După cum explică Liam Connor, astronom la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică (CfA):
„Problema barionilor lipsă, veche de decenii, nu a fost niciodată despre a ști dacă materia există. Adevărata întrebare a fost întotdeauna: unde se află?”
Datorită „exploziilor radio rapide”, adaugă el, cercetătorii știu acum că trei sferturi din această materie plutește între galaxii, în ceea ce ei numesc pânza cosmică. Această revelație majoră, detaliată într-un studiu publicat în Nature Astronomy, pune capăt anilor de speculații științifice.
Ce înțeleg oamenii de știință prin materie barionică
Din punct de vedere tehnic, materia barionică se referă la orice materie formată din protoni și neutroni. Dar în limbajul cotidian al astronomilor, termenul se referă de fapt la orice materie formată din atomi, adică tot ceea ce nu este materie întunecată sau energie întunecată. Cu alte cuvinte, materia barionică este ceea ce alcătuiește stelele, planetele, ființele vii și chiar pe noi înșine. Dar, potrivit cercetătorilor, doar o mică parte din această materie se găsește în stele sau în ceea ce se numește mediul interstelar, adică spațiul dintre sistemele stelare din cadrul galaxiilor. Restul, mult mai dificil de localizat, a fost până acum un adevărat puzzle cosmic.
Un gaz fierbinte, invizibil cu ochiul liber
Conform studiului publicat în revista Nature Astronomy, majoritatea materiei obișnuite se găsește sub formă de gaz foarte fierbinte, cu densitate mică, împrăștiat în spațiul dintre galaxii. Acest gaz, dificil de detectat, formează un fel de pânză cosmică. Este un mediu ionizat, prin urmare încărcat electric, ceea ce îl face extrem de dificil de măsurat. Ani de zile, cercetătorii au avut indicii ale prezenței sale, dar fără dovezi directe sau estimări fiabile ale cantității sale.
O descoperire datorată exploziilor radio rapide (FRB)
Pentru a rezolva această enigmă, cercetătorii au folosit un instrument uimitor: exploziile radio rapide sau FRB (Fast Radio Bursts). Acestea sunt flash-uri sau sclipiri foarte scurte, dar intense, de unde radio provenite de la galaxii îndepărtate. Pe măsură ce trec prin gazul intergalactic, aceste semnale încetinesc ușor, permițând astronomilor să estimeze densitatea gazului prin care trec. Echipa a studiat 60 de FRB-uri, de la un semnal situat la 11,74 milioane de ani-lumină distanță până la cel mai îndepărtat, numit FRB 20230521B, la 9,1 miliarde de ani-lumină distanță.
Astfel, într-un nou studiu publicat în Nature Astronomy, o echipă de astronomi de la Caltech și Centrul pentru Astrofizică | Harvard & Smithsonian (CfA) a detectat direct și a evidențiat, pentru prima dată, toată materia lipsă. Pentru a face acest lucru, echipa a folosit flash-uri radio scurte și luminoase în cosmosul îndepărtat, numite explozii radio rapide (FRB), pentru a ilumina materia situată între FRB-uri și noi.
„FRB-urile strălucesc prin ceața mediului intergalactic și, prin măsurarea precisă a modului în care lumina încetinește, se poate cântări acea ceață, chiar și atunci când este prea slabă pentru a fi văzută”, spune Liam Connor, profesor asistent la Harvard și autor principal al studiului, care a efectuat o mare parte din muncă în timp ce era profesor asistent de cercetare la Caltech, lucrând cu Vikram Ravi, profesor asistent de astronomie la Caltech.
Studiul a analizat un total de 69 de FRB-uri situate la distanțe cuprinse între aproximativ 11,74 milioane și aproximativ 9,1 miliarde de ani-lumină. Obiectul aflat la 9,1 miliarde de ani-lumină distanță, numit FRB 20230521B, deține acum recordul pentru cel mai îndepărtat FRB înregistrat vreodată. Deși au fost detectate peste o mie de FRB-uri, doar aproximativ o sută au fost identificate în galaxii gazdă specifice. Cu alte cuvinte, originile și distanțele lor față de Pământ sunt cunoscute. Aceste FRB-uri localizate erau necesare pentru studiul actual.
Dintre cele 69 de FRB-uri localizate în studiu, 39 au fost găsite folosind DSA (Deep Synoptic Array)-110, o rețea finanțată de Fundația Națională pentru Știință (NSF) de 110 radiotelescoape situate la Observatorul Radio Owen Valley (OVRO) al Caltech, lângă Bishop, California.
Rețeaua radio, care a fost concepută special pentru a capta și localiza FRB-uri, a detectat cele 39 de obiecte și a identificat galaxia lor de origine, în timp ce instrumentele de la Observatorul W. M. Keck din Hawaii și de la Observatorul Palomar de lângă San Diego le-au stabilit distanța. Celelalte 30 de FRB-uri din studiu au fost descoperite de telescoape din întreaga lume, în principal de la Australian Square Kilometre Array Pathfinder.
Rețea de antene radio DSA-110 la Observatorul Radio Owens Valley
Aceste FRB-uri, deși fascinante în sine, au fost folosite în acest studiu pentru a detecta materia obișnuită lipsă. Alte tehnici doar sugeraseră existența acesteia. Pe măsură ce lumina de radiofrecvență călătorește de la FRB-uri către Pământ, lumina se răspândește în diferite lungimi de undă, așa cum o prismă transformă lumina soarelui într-un curcubeu. Gradul acestei răspândiri, sau dispersări, depinde de cantitatea de materie aflată în calea luminii.
„Este ca și cum am vedea umbra tuturor barionilor, cu FRB-urile ca fundal”, spune Ravi. „Dacă vezi o persoană în fața ta, poți afla multe despre ea. Dar dacă îi vezi doar umbra, știi totuși că este acolo și știi aproximativ cât de mare este.”
Descoperirile vor ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine cum cresc galaxiile și vor demonstra, de asemenea, cum FRB-urile pot ajuta la rezolvarea problemelor din cosmologie, inclusiv determinarea masei tipice a particulelor subatomice numite neutrini. (Masa neutrinilor depinde de gradul în care barionii se aglomerează.) Modelul standard al fizicii prezice că neutrinii nu ar trebui să aibă masă, dar observațiile au arătat că aceste particule au într-adevăr o cantitate incredibil de mică. Cunoașterea masei precise a neutrinilor ar putea, prin urmare, duce la o nouă fizică dincolo de modelul standard al fizicii particulelor.
Potrivit lui Ravi, acesta este doar începutul utilizării FRB-urilor în cosmologie. În viitor, radiotelescopul DSA-2000 al Caltech din deșertul Nevada, aflat în prezent în stadiul de pregătire, se va baza pe studii precum acesta. Rețeaua radio va găsi și localiza până la 10.000 de FRB-uri pe an, sporind enorm rolul lor de sonde ale materiei normale și aprofundând cunoștințele generale despre exploziile extreme.
Unde se ascunde această materie: între galaxii și în haloul fiecărei galaxii
Rezultatele au arătat clar că 76% din materia barionică (materia normală a universului) se află în spațiul dintre galaxii, cunoscut și sub numele de mediu intergalactic (IGM), aproximativ 15% se află în halourile galaxiilor (halourile galactice) și doar o mică parte este concentrată în galaxii – în stele sau în gaz galactic rece (gazele reci din interiorul galaxiilor). Aceste cifre confirmă simulările cosmice anterioare, dar oferă în sfârșit dovezi directe. Astfel, această distribuție se aliniază cu predicțiile din simulările cosmologice avansate, dar nu a fost niciodată confirmată observațional până acum. De asemenea, ne permit să înțelegem mai bine mișcarea materiei în univers, în special datorită fenomenelor violente precum găurile negre gigantice sau supernovele, capabile să ejecteze cantități mari de gaz din galaxii.
O nouă viziune asupra universului datorită exploziilor radio rapide
Astronomii compară acest proces cu un termostat cosmic, care reglează căldura universului prin ejectarea de gaze în exterior atunci când temperatura crește prea mult. „Începem să vedem structura și compoziția universului într-o lumină nouă”, explică Vikram Ravi, cercetător la Caltech (California Institute of Technology). Datorită exploziilor radio rapide, o materie invizibilă devine detectabilă, iar generațiile viitoare de telescoape puternice ar putea dezvălui mii de altele, promițând noi descoperiri majore despre compoziția universului.
Un salt uriaș pentru cosmologie
Această descoperire majoră marchează sfârșitul unui mister cosmic care intriga oamenii de știință de ani de zile. Prin identificarea locului unde se ascunde materia lipsă, cercetătorii deschid o nouă eră în studiul universului. Datorită exploziilor radio rapide, invizibilul devine vizibil, iar fiecare semnal captat este o fereastră către teritorii neexplorate. Cerul nopții, departe de a-și fi dezvăluit toate secretele, este acum o hartă vastă pe care începem să o descifrăm.
© CCC