В начале 2024 года студентка докторантуры Университета Макгилл Вишванги Шах и ее коллеги внимательно изучали данные эксперимента по картированию водорода в космосе — Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME). В ходе анализа они заметили нечто действительно удивительное. Их поиск привел к обнаружению необычных импульсов, известных как быстрые радиовсплески (ФРВ), исходящих из «внешних границ» так называемой «мертвой» галактики — галактики, в которой не выявлено новых звёзд. По логике, такую галактику следовало бы считать тишиной в космосе. Вместо этого, она посылала мощные энергетические волны по всему Вселенскому пространству.
Что такое быстрые радиовсплески и почему их открытие важно
ФРВ — это одни из самых загадочных явлений во Вселенной. Они представляют собой импульсы, длина которых не превышает миллисекунды, но при этом высвобождают в миллионы раз больше энергии, чем наше Солнце за несколько дней. Открытие этих импульсов произошло в 2007 году, когда Дункан Лоример случайно обнаружил первый подобный сигнал, анализируя архивационные данные радиотелескопа.
Несмотря на кратковременность, ФРВ способны путешествовать на огромные расстояния, невзирая на космическую пустоту, что делает их ценным инструментом для исследования структур, скрытых в глубинах космоса. Однако самое важное — эти импульсы проходят через межгалактический газ и взаимодействуют с обычной материей, состоящей из протонов и нейтронов.
Проблема пропавшей обычной материи — «проблема отсутствующих барионов»
В 1990-х годах ученые пришли к тому, что обычная материя (барионы), включая protons, neutrons и другие частицы, составляющие звезды, планеты и нас самих, должна занимать около 5% всей энергии и массы Вселенной. Однако наблюдения показывают, что обнаружено лишь около 70% этой материи. Где же остальные 30%? Эта загадка получила название «проблема отсутствующих барионов».
Большая часть гипотетической недостающей материи предполагалась в виде тонких, горячих облаков газа — так называемой «тепло-горячей межгалактической среды». Но найти эти области очень трудно: газ настолько разрежен, что практически не излучает свет, а значит, его практически невозможно зафиксировать традиционными телескопами. Эта ситуация сравнивается с «попыткой увидеть туман в темноте» — настолько он невидим, что его практически невозможно обнаружить.
ФРВ как новые «картографы» космоса
Но именно быстрые радиовсплески начали рассматриваться как новое оружие в исследовании скрытых структур Вселенной. Благодаря тому, что ФРВ проходят через межгалактическую среду, их «распространение» и задержки в прохождении дают ученым возможность измерять концентрацию и распределение барионной материи. Чем больше «задержка» у импульса, тем больше материи на его пути. Этот показатель называют «дисперсионным измерением» (dispersion measure).
Метод оказался настолько перспективным, что уже в 2020 году группа ученых, включая Мэттью Маккуина из Университета Вашингтона и его международные коллеги, использовали 13 надежных измерений ФРВ для создания модели распределения барионов во Вселенной. Результаты подтвердили, что примерно 5% всей материи — как и ожидалось — состоит из обычных барионов, что согласуется с предсказаниями модели Lambda-CDM. Но самое интересное — с помощью анализа многих импульсов планируется создать «трёхмерную карту» распределения этой материи.
Новые горизонты: создание карты «барионной вселенной»
В июне 2025 года группа ученых под руководством Лиама Коннора из Гарвардского университета сделала новую важную работу. Они использовали многочисленные наблюдения ФРВ для определения точных мест их происхождения и выяснили, что около 76% всех барионов находятся в пространстве между галактиками. Проще говоря, «барионный интернет» — тонкая, ионизированная материя, соединяющая галактики, — это основное место, где скрывается большая часть обычной материи.
Это открывает удивительные перспективы. Если мы сможем точечно определить расположение всей барионной материи и связывать ее с наличием галактик и черных дыр, это поможет построить «барионную Google-карту» Вселенной — модель, которая не только покажет, где находятся «пропавшие» частицы, но и даст ключ к пониманию процессов роста и формирования галактик, а также взаимоотношений между материей и черными отверстиями.
Почему важно точно знать распределение обычной материи
Распространение baryons — ключ к пониманию истории Вселенной. Модель Big Bang предполагает, что в первые секунды после возникновения космоса было создано определенное количество легких элементов, таких как водород и гелий. Недостающая часть барионов подразумевает, что часть материи находится в состояниях или местах, недоступных для традиционных методов наблюдения.
«Если мы узнаем, где скрывается пропавшая материя, мы сможем лучше понять, как формируются и развиваются галактики, как черные дыры регулируют процессы внутри них и как элементы распространяются по всей Вселенной»
Текущие исследования показывают, что большинство baryons (около 76%) расположено в межгалактическом пространстве, а оставшиеся 24% — в других структурах или внутри самих галактик. Эта информация помогает ученым не только решить загадку пропавших барионов, но и понять, как влияет материальная среда на процессы звездообразования и эволюцию галактик.
Следующие шаги и будущее картографирования Вселенной
В рамках развития исследовательских проектов, таких как Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) и Deep Synoptic Array 2000 (DSA-2000), ученые планируют в ближайшее десятилетие обнаружить и локализовать тысячи новых ФРВ. Каждое новое измерение — это еще один «пин» в создании «барионной карты» Вселенной.
Так, предвидится, что в течение следующих 10–20 лет появится полноценная 3D карта распределения обычной материи, построенная на данных с тысяч точек — «барионный гугл-карт» Вселенной. Это, в свою очередь, даст уникальную возможность понять, как формируются крупномасштабные структуры, как взаимодействуют галактики и черные дыры, и какая роль в этом процессе играет «невидимая» темная материя.
Выводы и потенциал новых открытий
Использование быстрых радиовсплесков как инструментов для изучения структуры вселенной — один из самых захватывающих прорывов современной астрофизики. Усовершенствованные радиотелескопы и крупномасштабные проекты, такие как CHIME и DSA-2000, обещают открыть новые горизонты и разрешить старые загадки о пропавших частицах, о природе темной материи и о механизмах эволюции космоса.
Область исследований только развивается, и в ближайшие десятилетия мы можем стать свидетелями появления полноценной, трёхмерной, детальной карты Вселенной — нечто вроде «барионного гугл-мапа», который откроет нам невидимую структуру всей космической ткани и поможет понять, как появился и сформировался наш мир.