Brakująca masa wszechświata

Masa wszechświata należy do największych zagadek współczesnej kosmologii. Gdyby wziąć pod uwagę masę wszystkich obserwowanych gwiazd, czarnych dziur, galaktyk czy gromad galaktyk to nie jest ona wystarczająca do wyjaśnienia m.in. zmiany prędkości ekspansji Wszechświata. Ze względu na to jeszcze w XX wieku powstało pojęcie ciemnej energii, która to miała być ważnym elementem całkowitej masy Wszechświata. Poza ciemną materią miał to być istotny, a nawet główna część pełnej masy kosmosu. Zwykłe atomy, na których opiera się budowa gwiazd czy planet stanowią mniej niż 5% jego masy. Nieco mniej niż 24% miałaby stanowić ciemna materia, której charakterystyka jest zupełnie inna od barionowej, jaką znamy jako budulec atomów.

Poszukiwania brakującej masy

Astronomowie od dawna poszukują gdzie znajduje się brakująca masa wszechświata. Poszukiwania zarówno w zakresie ciemnej energii, jak i ciemnej materii dotychczas nie przyniosły pożądanych rezultatów. Misje pokroju Wilkinson Microwave Anisotropy Probe lub Planck zaowocowały w obserwacje mikrofalowego promieniowania tła. Podejrzenia astronomów zwróciły się ku teorii istnienia możliwości wykrycia pewnych zniekształceń tego tła w czasie przechodzenia fotonów przez ciemną materię, jednakże do 2017 roku odnalezienie dowodów nie było możliwe. W październiku ubiegłego roku media związane z astronomią podały informację, że dwa niezależne zespoły astronomów odkryły około połowy brakującej materii we Wszechświecie. Była to grupa pod przewodnictwem Anny de Graaff z Uniwersytetu w Edynburgu oraz Hideki Tanimury z francuskiego Instytutu Astrofizyki w Orsay.

Obie te grupy sformułowały zbliżone do siebie wyniki, stwierdzając, iż około połowy brakującej materii nie stanowi ciemna materia, lecz barionowa. Została ona wykryta pod postacią bardzo rozproszonych wrzecion chłodnego gazu pomiędzy różnymi galaktykami. Do tamtego momentu nie istniała możliwość detekcji tej materii, ponieważ miała ona zbyt niską temperaturę dla urządzeń pomiarowych, pracujących np. na paśmie fal rentgenowskich. Ich wykrycie stało się możliwe dzięki efektowi Siuniajewa-Zeldowicza. Opiera się on na niewielkim rozproszeniu światła pozostałego po Wielkim wybuchu podczas przechodzenia przez gorący gaz. Proces ten pozostawiał swojego rodzaju „ślad” na obrazie mikrofalowego tła Wszechświata.

Brakując masa odkryta

Przytoczone wyżej badania pozwoliły obu zespołom na stwierdzenie, że odkryta materia jest połową tej brakującej. Było to możliwe dzięki zastosowaniu bardzo precyzyjnej techniki badawczej. Przed dokonaniem tego odkrycia w 2015 roku setalita Planck wykonał mapę, która obrazowała zjawisko Siuniajewa-Zeldowicza. Ze względu na znaczne rozproszenie gazu pomiędzy galaktykami efekt ten nie był bezpośrednio widoczny na mapie Plancka. Obie grupy wytypowały pary galaktyk, między którymi miał być obecny strumień barionów. Potem nałożono na siebie zebrane przez Plancka sygnały z tych regionów, co poskutkowało uwidocznieniem w ten sposób strumieni.

Zespół Tanimury zrealizował takie badania dla 260 000 par galaktyk, a grupa Graaffa w zakresie ponad miliona par. W ten sposób oba zespoły badawcze, niezależenie od siebie, zdobyły dowody na istnienie gazu pomiędzy galaktykami. Różnica w odkryciach badaczy leży w jego gęstości. Grupa Graaffa stwierdziła, że jest on sześciokrotnie gęstszy od mediany dla materii we wszechświecie, natomiast zespół Tanimury stwierdził trzykrotnie większą gęstość. Był to jeden z przełomowych momentów, w którym została odkryta brakująca masa.