Astronomen zeggen dat ze veel van de ontbrekende atomen van het universum hebben gevonden

Supercomputersimulaties modelleren hoe sterrenstelsels en galactische clusters groeien in lange filamentaire structuren die bekend staan ​​als het kosmische web.

ANDREW PONTZEN EN FABIO GOVERNATO / WIKIMEDIA GEMEENSCHAPPEN

Astronomen zeggen dat ze veel van de ontbrekende atomen van het universum hebben gevonden

Van Adam MannOct. 10, 2017, 13:00

Als je gefrustreerd raakt wanneer je je sleutels niet kunt vinden, stel je dan voor hoe astronomen zich voelen. Jarenlang hebben ze niet de helft van de atomen kunnen vinden die ze denken dat het universum moet bevatten. Nu hebben onderzoekers veel van die ontbrekende materie opgespoord met behulp van straling uit het vroege universum die een beetje werkt als een laser die golvende rook verlicht. De bevinding helpt ons om ons begrip van hoe het universum zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld, te verstevigen.

Kosmologen weten ongeveer hoeveel waterstof en helium in de eerste 20 minuten na de oerknal is gemaakt. Deze cijfers worden bevestigd door studies van de nagloed van de oerknal - de zogenaamde kosmische magnetronachtergrond (CMB) - die suggereert dat ons universum is gemaakt van ongeveer 70% donkere energie, 23% donkere materie en slechts 4, 6% gewone of baryonisch, materie. Sterren en sterrenstelsels zijn echter slechts goed voor ongeveer 10% van de afgeleide gewone materie, en alle vertelde onderzoekers kunnen niet de helft van de atomen verklaren waarvan ze denken dat die zouden moeten bestaan.

"Dit is beschamend, zoals je je kunt voorstellen, " zegt astronoom Renyue Cen van Princeton University, die niet betrokken was bij het nieuwe werk. “We hebben niet alleen de meeste materie die donker is, en de meeste energie die nog donkerder is; maar van de 5% die normale atomen is, ontbreken de meeste. "

Onderzoekers denken dat ze weten waar de baryons zijn. Volgens het standaard kosmologische model, dat voorspelt hoe het universum sinds zijn vroegste dagen is gegroeid en veranderd, is het universum gevuld met enorme strengen donkere materie en zijn de sterrenstelsels ingebed in dit zogenaamde kosmische web. Wetenschappers veronderstellen dat de ontbrekende atomen liggen in diffuse wolken van sterk geïoniseerd gas dat zich tussen de sterrenstelsels uitstrekt. Bekend als warm-hete intergalactische materie (WHIM), gloeit dat miljoen graden gas in röntgenstralen, maar is zo dun dat het heel moeilijk te zien is. Met behulp van observatoria die ultraviolette straling kunnen zien, zoals de Hubble-ruimtetelescoop, hebben astronomen genoeg WHIM gespot om ongeveer 50% tot 70% van de ontbrekende baryons voor hun rekening te nemen - en laten nog steeds een aanzienlijk deel buiten beschouwing.

In het nieuwe werk probeerde een team van de Universiteit van Edinburgh de WHIM in filamentaire netwerken te plagen met behulp van een geheel andere bron van verlichting: de CMB zelf. Terwijl het universum zich uitbreidde, strekten fotonen in de CMB zich uit tot langere golflengten en koelden ze tegenwoordig tot enkele graden boven het absolute nulpunt. Wanneer deze fotonen elektronen raken in het kosmische web, kunnen ze energie winnen en hun golflengtes verkorten met een kleine hoeveelheid, in een fenomeen dat bekend staat als het Sunyaev-Zel'dovich (SZ) -effect. Dus door te zoeken naar het SZ-effect, kunnen onderzoekers de WHIM in het kosmische web traceren.

Het SZ-effect is buitengewoon zwak en verkort de golflengte van het foton met ongeveer een deel op 10 miljoen. Om een ​​signaal te krijgen dat sterk genoeg was om het te zien, namen de onderzoekers 1 miljoen paar sterrenstelsels gevonden in de Sloan Digital Sky Survey, allemaal gescheiden door een vergelijkbare afstand, en stapelden hun afbeeldingen op elkaar. En ja hoor, ze waren in staat om het SZ-effect te onderscheiden in de samengevoegde afbeeldingen, en gaven een schatting van de hoeveelheid hete baryonische materie die de ijskoude microgolffotonen wijzigde, zoals ze rapporteren in een artikel op 29 september op de arXiv preprint-website.

De resultaten suggereren dat materie in het kosmische web ongeveer zes keer dichter is dan het universele gemiddelde, voldoende om ongeveer 30% van de ontbrekende massa te omvatten. Een onafhankelijke studie gepubliceerd op arXiv op 15 september met behulp van de SZ-techniek op 260.000 melkwegparen kwam tot een vergelijkbare conclusie.

Sommige experts hebben bedenkingen bij de bevindingen. Er zijn enkele veronderstellingen die ze hebben gemaakt die mij zorgen baren, zegt astronoom J. Michael Shull van de Universiteit van Colorado in Boulder. Zij zijn ervan uitgegaan dat al het gas in de gloeidraden zich precies langs de gezichtslijn tussen de twee sterrenstelsels bevindt; en dat is waarschijnlijk niet goed . Een meer gecompliceerde 3D-opstelling van materiaal is waarschijnlijker, merkt hij op.

Waarschijnlijk is een grote röntgentelescoop van de volgende generatie nodig om eindelijk alle ontbrekende baryonische materie te identificeren. Zodra dat gebeurt, kan de SZ-effecttechniek een onafhankelijke manier zijn om zijn bevindingen te bevestigen, zegt Cen.