1990’ların sonlarında, kozmologlar evrende ne kadar sıradan maddenin olması gerektiğine dair bir tahminde bulundular. Tahminlerine göre yaklaşık %5’i normal şeyler olmalı, geri kalanı ise karanlık madde ve karanlık enerji karışımı. Ancak kozmologlar o sırada görebildikleri veya ölçebildikleri her şeyi saydıklarında yetersiz kaldılar. Çokça.
Kozmologların ölçtüğü tüm sıradan maddelerin toplamı, evrende olması gerekenin %5’inin yalnızca yarısına tekabül ediyordu.
Bu, “kayıp baryon sorunu” olarak bilinir ve 20 yılı aşkın bir süredir bizim gibi kozmologlar bu konuda çok uğraştılar ve başarılı olamadılar.
Yeni bir göksel fenomenin ve tamamen yeni teleskop teknolojisinin keşfini aldı, ancak bu yılın başlarında ekibimiz nihayet eksik maddeyi buldu .
sorunun kökeni
Baryon, evrendeki tüm sıradan maddenin yapı taşları olan protonları ve nötronları kapsayan bir tür genel terim olan parçacık türleri için bir sınıflandırmadır. Periyodik tablodaki her şey ve “malzeme” olarak düşündüğünüz hemen hemen her şey baryonlardan yapılmıştır.
1970’lerin sonlarından bu yana, kozmologlar karanlık maddenin – uzaydaki yerçekimi modellerini açıklamak için var olması gereken henüz bilinmeyen bir madde türü – evrenin maddesinin çoğunu oluşturduğundan ve geri kalanı baryonik madde olduğundan şüpheleniyorlardı, ancak yapmadılar. kesin oranları bilmiyorum. 1997’de, San Diego’daki California Üniversitesi’nden üç bilim adamı, baryonların evrenin kütle-enerji bütçesinin yaklaşık %5’ini oluşturması gerektiğini tahmin etmek için ağır hidrojen çekirdeklerinin – fazladan bir nötronlu hidrojen – normal hidrojene oranını kullandılar. .
Yine de, yayının mürekkebi hala kururken, başka bir kozmolog üçlüsü parlak bir kırmızı bayrak kaldırdı. Mevcut evrenimizde – yıldızların, galaksilerin ve içlerindeki ve etrafındaki gazların sayımıyla belirlenen – doğrudan bir baryon ölçümünün, tahmin edilen %5’in yalnızca yarısına kadar eklendiğini bildirdiler .
Bu, eksik baryon sorununu tetikledi. Doğa kanunu maddenin ne yaratılabileceğini ne de yok edilebileceğini kabul ederse, bunun iki olası açıklaması vardı: Ya madde yoktu ve matematik yanlıştı ya da madde dışarıda bir yerde saklanıyordu.
Başarısız arama
Dünyanın dört bir yanındaki gökbilimciler araştırmaya başladı ve ilk ipucu bir yıl sonra teorik kozmologlardan geldi. Bilgisayar simülasyonları, eksik maddenin çoğunluğunun , evrene nüfuz eden düşük yoğunluklu, milyon derecelik sıcak bir plazmada saklandığını öngördü . Bu, “sıcak-sıcak galaksiler arası ortam” olarak adlandırıldı ve “WHIM” olarak adlandırıldı. WHIM, eğer varsa, eksik baryon problemini çözecekti, ancak o zaman varlığını doğrulamanın bir yolu yoktu.
2001’de WHIM lehine başka bir kanıt daha ortaya çıktı. İkinci bir ekip , evrenin kozmik mikrodalga arka planındaki küçük sıcaklık dalgalanmalarına – esasen Büyük Patlama’dan kalan radyasyona – bakarak, evrenin %5’ini oluşturan baryonların ilk tahminini doğruladı . Bu sayının iki ayrı teyidi ile matematik doğru olmalıydı ve WHIM cevap gibi görünüyordu. Şimdi kozmologların bu görünmez plazmayı bulmaları gerekiyordu.
Geçtiğimiz 20 yıl boyunca, biz ve diğer birçok kozmolog ve gökbilimci ekibi, dünyanın neredeyse tüm en büyük gözlemevlerini ava çıkardık. Sıcak-sıcak gazın bazı yanlış alarmları ve geçici tespitleri vardı, ancak ekiplerimizden biri sonunda bunları galaksilerin etrafındaki gazlarla ilişkilendirdi . WHIM varsa, tespit edilemeyecek kadar zayıf ve dağınıktı.
Hızlı radyo patlamalarında beklenmedik bir çözüm
2007’de tamamen beklenmedik bir fırsat ortaya çıktı. West Virginia Üniversitesi’nden bir gökbilimci olan Duncan Lorimer , hızlı radyo patlaması (FRB) olarak bilinen kozmolojik bir fenomenin tesadüfen keşfedildiğini bildirdi . FRB’ler son derece kısa, yüksek enerjili radyo emisyon darbeleridir. Kozmologlar ve astronomlar onları neyin yarattığını hala bilmiyorlar, ancak çok uzaklardaki galaksilerden geliyor gibi görünüyorlar.
Bu radyasyon patlamaları evreni boydan boya kat edip gazlardan ve kuramsallaştırılmış WHIM’den geçerken, dispersiyon adı verilen bir şeye maruz kalırlar .
Bu FRB’lerin başlangıçtaki gizemli nedeni, saniyenin binde biri kadar sürer ve tüm dalga boyları sıkı bir küme halinde başlar. Eğer birisi FRB’nin üretildiği noktaya yakın olacak kadar şanslıysa – ya da yeterince şanssızsa – tüm dalga boyları onlara aynı anda çarpacaktır.
Ancak radyo dalgaları maddenin içinden geçtiğinde kısa bir süreliğine yavaşlarlar. Dalga boyu ne kadar uzun olursa, bir radyo dalgası konuyu o kadar “hissediyor”. Rüzgar direnci gibi düşünün. Daha büyük bir araba, daha küçük bir arabadan daha fazla rüzgar direnci hisseder.
Radyo dalgaları üzerindeki “rüzgar direnci” etkisi inanılmaz derecede küçüktür, ancak alan büyüktür. Bir FRB Dünya’ya ulaşmak için milyonlarca veya milyarlarca ışıkyılı yol kat ettiğinde, dağılım daha uzun dalga boylarını o kadar yavaşlattı ki, kısa dalga boylarından neredeyse bir saniye sonra varıyorlar.
Burada FRB’lerin evrenin baryonlarını tartma potansiyeli yatıyordu, bu da hemen fark ettiğimiz bir fırsattı. Bir FRB içinde farklı dalga boylarının yayılmasını ölçerek, radyo dalgalarının Dünya’ya giderken ne kadar önemli olduğunu – kaç baryon – geçtiğini tam olarak hesaplayabiliriz.
Bu noktada çok yakındık ama ihtiyacımız olan son bir bilgi parçası vardı. Baryon yoğunluğunu tam olarak ölçmek için, bir FRB’nin gökyüzünde nereden geldiğini bilmemiz gerekiyordu. Kaynak galaksiyi bilseydik, radyo dalgalarının ne kadar uzağa gittiğini bilirdik. Bununla ve deneyimledikleri dağılma miktarıyla, belki de Dünya’ya giderken içinden ne kadar madde geçtiklerini hesaplayabiliriz?
Ne yazık ki, 2007’deki teleskoplar, bir FRB’nin tam olarak hangi galaksiden geldiğini – ve dolayısıyla ne kadar uzakta olduğunu – saptamak için yeterince iyi değildi .
Hangi bilgilerin sorunu çözmemize izin vereceğini biliyorduk, şimdi sadece teknolojinin bize bu verileri verecek kadar gelişmesini beklemek zorundaydık.
Teknik yenilik
İlk FRB’mizi yerleştirebilmemiz – veya yerelleştirebilmemiz – 11 yıl oldu. Ağustos 2018’de, CRAFT adlı ortak projemiz, FRB’leri aramak için Batı Avustralya’nın dışında Avustralya Kilometre Kare Yolu Bulucu (ASKAP) radyo teleskopunu kullanmaya başladı . Avustralya’nın ulusal bilim ajansı CSIRO tarafından işletilen bu yeni teleskop , gökyüzünün büyük bölümlerini, dolunay boyutunun yaklaşık 60 katı büyüklüğünde izleyebilir ve aynı anda FRB’leri tespit edebilir ve gökyüzünde nereden geldiklerini belirleyebilir.
ASKAP ilk FRB’sini bir ay sonra aldı. Radyo dalgalarının geldiği gökyüzünün kesin kısmını öğrendikten sonra, FRB’nin hangi galaksiden geldiğini ve bu galaksinin ne kadar uzakta olduğunu belirlemek için Hawaii’deki Keck teleskopunu hızla kullandık. Tespit ettiğimiz ilk FRB , merak ediyorsanız, Dünya’dan yaklaşık 4 milyar ışıkyılı uzaklıkta bulunan DES J214425.25–405400.81 adlı bir galaksiden geldi.
Teknoloji ve teknik işe yaradı. Bir FRB’den gelen dağılımı ölçtük ve nereden geldiğini biliyorduk. Ancak istatistiksel olarak anlamlı bir baryon sayımı elde etmek için birkaç tane daha yakalamamız gerekiyordu. Bu yüzden bekledik ve uzayın bize biraz daha FRB göndermesini umduk.
2019 yılının Temmuz ayının ortasına kadar, kayıp madde için ilk aramayı gerçekleştirmeye yetecek kadar beş olay daha tespit ettik. Bu altı FRB’nin dağılım ölçülerini kullanarak, radyo dalgalarının dünyaya ulaşmadan önce ne kadar maddeden geçtiğini kabaca hesaplayabildik.
Verilerin %5’lik tahminin öngördüğü eğriye düştüğünü gördüğümüz anda hem şaşkınlık hem de güvence altında kaldık . Bu kozmolojik bilmeceyi çözerek ve yirmi yıllık araştırmayı sona erdirerek eksik baryonları tam olarak tespit etmiştik.
Ancak bu sonuç sadece ilk adımdır. Baryonların miktarını tahmin edebildik, ancak yalnızca altı veri noktasıyla eksik baryonların kapsamlı bir haritasını henüz oluşturamıyoruz. WHIM’in muhtemelen var olduğuna dair kanıtımız var ve ne kadar olduğunu doğruladık, ancak tam olarak nasıl dağıtıldığını bilmiyoruz. “ Kozmik ağ ” olarak adlandırılan galaksileri birbirine bağlayan geniş bir ipliksi gaz ağının parçası olduğuna inanılıyor , ancak yaklaşık 100 hızlı radyo patlaması ile kozmologlar bu ağın doğru bir haritasını oluşturmaya başlayabilirler.