Astronomer, der samler alt det normale stof – stjerner, galakser og gas – i universet i dag er kommet pinligt kort efter det samlede stof, der er produceret i Big Bang for 13,6 milliarder år siden. Faktisk kan mere end halvdelen af det normale stof – halvdelen af de 15% af universets sag, der ikke er mørkt stof – ikke redegjort for i de glødende stjerner og gas, vi ser.
Nye målinger synes imidlertid at have fundet denne manglende sag i form af meget diffus og usynlig ioniseret brintgas, som danner en glorie omkring galakser og er mere pustet ud og omfattende end astronomer troede.
Resultaterne lindrer ikke kun en konflikt mellem astronomiske observationer og den bedste, velprøvede model for universets udvikling siden Big Bang, de antyder også, at de massive sorte huller i centre for galakser er mere aktive end tidligere antaget, springvandsgas meget længere fra det galaktiske centrum end forventet – om fem gange længere, holdet.
“Vi tror, at når vi først går længere væk fra galaksen, gendanner vi al den manglende gas,” sagde Boryana Hadzhiyska, en Miller postdoktor ved University of California, Berkeley og første forfatter af et papir, der rapporterede om resultaterne. “For at være mere nøjagtig, er vi nødt til at foretage en omhyggelig analyse med simuleringer, som vi ikke har gjort. Vi vil gøre et omhyggeligt stykke arbejde.”
“Målingerne er bestemt i overensstemmelse med at finde al gassen,” sagde hendes kollega, Simone Ferraro, en seniorforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og på UC Berkeley, der så antydninger af denne omfattende ioniserede Hydrogen Halo i analyser, der blev offentliggjort for tre år siden.
Resultaterne af undersøgelsen, medforfatter af 75 forskere fra institutioner over hele verden, er blevet præsenteret på de nylige videnskabelige møder, der er offentliggjort som et fortryk på arxiv og gennemgår peer review i tidsskriftet Fysiske gennemgangsbreve. Hadzhiyska og Ferraro er forskere ved Berkeley Center for Cosmological Physics i UC Berkeleys Department of Physics samt på Berkeley Lab.
Stabling af galakser
Mens det stadig mystiske mørke stof udgør hovedparten – ca. 84% – af stof i universet, er resten normalt. Kun ca. 7% af det normale stof er i form af stjerner, mens resten er i form af usynlig brintgas – det meste ioniserede – i galakser og filamenterne, der forbinder galakser i en slags kosmisk netværk.
De ioniserede gas og tilknyttede elektroner, der er spændt ud i dette filamentnetværk, kaldes det varme-varme intergalaktiske medium, som er for koldt og for diffus til at blive set med de sædvanlige teknikker til astronomernes bortskaffelse, og derfor har han været undvigende indtil nu.
I det nye papir estimerede forskerne fordelingen af ioniseret brint omkring galakser ved at stable billeder af ca. 7 millioner galakser-alle inden for ca. 8 milliarder lysår af jorden-og måle den let dæmpning eller lysning af den kosmiske mikrobølgebaggrund forårsaget af en spredning af strålingen ved elektroner i den ioniserede gas, den so-kalmede kinematiske sunyaev-zel’EVeov.
“Den kosmiske mikrobølgebaggrund er bagpå alt, hvad vi ser i universet. Det er kanten af det observerbare univers,” sagde Ferraro. “Så du kan bruge det som baggrundsbelysning til at se, hvor gassen er.”
De anvendte galaksebilleder-alle lysende røde galakser-blev opsamlet af Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) på Mayall 4-Meter-teleskopet ved Kitt Peak National Observatory i Tucson, Arizona. Instrumentet, der er bygget af et samarbejde med hovedkontor på Berkeley Lab, undersøger titusinder af millioner af galakser og kvasarer for at konstruere et 3D -kort, der spænder over universet til 11 milliarder lysår fra Jorden for at måle effekten af mørk energi på udvidelsen af universet.
Målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) omkring disse galakser blev foretaget af Atacama Cosmology Telescope (ACT) i Chile, hvilket foretog de mest nøjagtige målinger til dato for CMB, før det blev nedlagt i 2022.
Analysen blev udført i samarbejde med Bernardita Ried Guachalla, en kandidatstuderende ved Stanford University; Emmanuel Schaan, en personaleforsker ved SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park; og Desi og Act -teamene.
Galaktisk feedback
Astronomer har generelt troet, at massive sorte huller i centre for galakser kun udviser gas i jetfly af materiale i deres formative år, når det centrale sorte hul gobler op gas og stjerner og producerer masser af stråling. Dette får dem til at skille sig ud som, hvad astronomer kalder aktive galaktiske kerner (AGN) eller kvasarer.
Hvis den nye undersøgelse antyder, er den ioniserede hydrogenhalo omkring galakser mere diffus, men også mere omfattende end tanke, dette indebærer, at de centrale sorte huller faktisk kan blive aktive på andre tidspunkter i deres liv.
“Et problem, vi ikke forstår, handler om AGN’er, og en af hypoteserne er, at de lejlighedsvis tænder og slukker i det, der kaldes en driftscyklus,” sagde Hadzhiyska.
Astronomer omtaler udvisning af gas og dens efterfølgende fald tilbage på den galaktiske disk som feedback, der regulerer dannelsen af nye stjerner i hele galaksen. Ferraro, Schaan og deres kolleger rapporterede antydninger til mere udvidet feedback i tidligere arbejde i 2020, da Schaan var postdoktor ved Berkeley Lab.
Men det nye arbejde indeholder flere galakser og producerer en mere præcis måling. Efterfølgende arbejde fra Ried Guachalla bekræftede resultaterne med den desi -spektroskopiske prøve og var i stand til at studere gassen i flere nærliggende galakser, og fremhævede, at gassen ikke er fordelt ensartet omkring dem, men følger “kosmiske filamenter”, der gennemsyrer universet.
Hadzhiyska bemærkede, at aktuelle simuleringer af Galaxy Evolution vil være nødt til at inkorporere denne mere energiske feedback i deres modeller. Nogle nye modeller gør allerede det for at producere stærkere simuleringer i bedre overensstemmelse med de nye data.
Identificeringen af det manglende stof eller baryoner i universet har også konsekvenser for andre aspekter af kosmisk udvikling.
“At vide, hvor gassen er, er blevet en af de mest alvorlige begrænsende faktorer i forsøget på at få kosmologi ud af nuværende og fremtidige undersøgelser. Vi har slags ramt denne mur, og dette er det rigtige tidspunkt at tackle disse spørgsmål,” sagde Ferraro. “Når du ved, hvor gassen er, kan du spørge: ‘Hvad er konsekvensen for kosmologiske problemer?'”
For det første udfordrer udvisning af gas fra kernerne i disse massive galakser antagelsen om, at gas følger mørkt stof, sagde Hadzhiyska. Undervurdering af denne gasudvisning kan indføre uoverensstemmelser i kosmologiske modeller, mens de nye resultater faktisk kan løse nogle problemer om, hvor klumpet universet er.
“Der er et stort antal mennesker, der er interesseret i at bruge vores målinger til at udføre en meget grundig analyse, der inkluderer denne gas,” sagde hun. “Folk i astronomi plejer meget om det for at forstå dannelse af galakse og evolution.”
Den teknik, som teamet brugte, den kinematiske Sunyaev-Zel’dovich-effekt, kunne også bruges til at undersøge det tidlige univers, sagde Hadzhiyska. Dette kunne give indsigt i universets store struktur og fysiklovene i det tidlige univers og give forskere mulighed for at teste tyngdekraft og generel relativitet.