Kus peidab universum oma puuduvat massi?
Teadlased on hulga sõltumatute, üldtunnustatud vaatluste põhjal arvutanud üsna kindlalt välja, kui palju tava-ainet — s.t vesinikku, heeliumi ja muid elemente — eksisteeris vahetult pärast Suurt Pauku. Paarist esimesest minutist esimese umbes miljardi aastani ulatuva ajavahemiku jooksul leidis suur osa sellest tava-ainest tee kosmilisse tolmu, gaasi ja taevakehadesse nagu tähed ja planeedid, mida saame nüüdisaegses universumis teleskoopidega vaadelda.
Probleem on aga selles, et kui astronoomid liitsid kokku kogu teadaoleva tava-aine massi nüüdis-universumis, osutus umbes kolmandik sellest puuduolevaks. (Oluline on silmas pidada, et see puuduolev aine on midagi muud kui siiamaani mõistatuslikuks jäänud tumeaine.)
Ühe oletuse kohaselt on kadumaläinud aine galaktikatevahelises ruumis koondunud hiiglaslikesse kuuma (rohkem kui 100 000 kelvini suuruse temperatuuriga) ja külma (vähem kui 100 000 kelvinise temperatuuriga) gaasi „filamentidesse“ ehk joomedesse. Astronoomid nimetavad neid viirge „soojaks kuni kuumaks galaktikatevaheliseks aineks“ (ingl WHIM; warm–hot intergalactic medium). Aineviirud on optilistele teleskoopidele nähtamatud, kuid osa neid moodustavast soojast gaasist on tuvastatud ultraviolettkiirgus-vaatlustega.
Uue tehnika abil on uurijail nüüd õnnestunud Chandra ja teiste teleskoopide andmete baasil leida uusi ja tugevaid tõendeid WHIM-i kuumgaasilise komponendi olemasolust.
„Kui leiame selle kadunud massi üles, saame lahendada ühe suurematest mõistatustest astrofüüsikas,“ märkis Massacusettsi osariigis Cambridge’is tegutseva Harvardi-Smithsoniani astrofüüsikakeskuse esindaja Orsolya Kovacs. „Kuhu on universum peitnud niis suure hulga ainet, millest koosnevad nii tähed ja planeedid kui ka inimesed?“
Täheteadlased otsisid ja uurisid Chandra abil ühe kvasari — kiirelt kasvavast supermassiivsest mustast august energiat ammutava ereda röntgenkiirgusallika — trajektoorile jäävaid sooja gaasi filamente. Too kvasar asub Maast umbes 3,5 miljardi valgusaasta kaugusel. Kui kuumgaasiline osa WHIM-ist on nende filamentidega seotud, peaks osa kvasari röntgenkiirgusest selles gaasis ka neelduma. Seega püüdsid uurijad leida kuuma gaasi n-ö signatuuri Chandra tuvastatud röntgen-kvasarivalgusest.
Üks sellise meetodi puudustest seisneb asjaolus, et võrreldes kvasarist tulvava röntgenkiirguse koguhulgaga on selle WHIM-is neeldumise signaal väga nõrk. Kogu röntgenkiirguse spektris eri lainepikkustel mõõtmisi sooritades on taolist nõrka neeldumisnäitajat — s.t, WHIM-ist endast pärinevaid signaale — keeruline eristada juhuslikest kõikumistest.
Kovacs koos oma töörühmaga seljatas selle probleemi, keskendudes otsingutes ainult röntgenkiirguse spektri teatud vahemikele ja vähendades seega valepositiivsete tulemuste tõenäosust. Selleks tuvastasid uurijad kõigepealt kvasari vaatesuuna lähedusse jäävad galaktikad, mis asuvad Maast sama kaugel kui ultraviolettkiirgus-vaatlustega tuvastatud sooja gaasi piirkonnad. Sellise tehnika abil identifitseerisid nad 17 võimalikku filamenti meie ja kvasari vahel ning selgitasid välja nende kaugused.
Kuna universum paisub ja „venitab“ liikuvat valgust, nihkub röntgenkiirguse igasugune neeldumine nende filamentide aines punasemate lainepikkuste poole. Nihete suurus sõltub filamentide teadaolevatest kaugustest, tänu millele uurimisrühm oskaski otsinguid läbi viia WHIMi neeldumisspektri konkreetsetes vahemikes.
„Meie tehnika on põhimõtte poolest sarnane näiteks Aafrika tohututelt tasandikelt metsloomade tõhusa otsimise meetodiga,“ selgitas uurimuse kaasautor, Harvardi-Smithsoniani astrofüüsikakeskuse teadlane Akos Bogdan. „Me teame, et loomad peavad vett jooma, mistõttu on mõistlik alustada nende otsimist joogikohtade lähedusest.“
Ehkki otsingu seesugusest kitsendamisest oli abi, pidid uurijad lahendama veel ka röntgenkiirguse neeldumise nõrkuse probleemi. Selleks võimendasid nad signaali, liites kokku 17 filamendi spektrid, nii et neil õnnestus viie ja poole päeva pikkusest vaatlusest ammutada peaaegu saja päeva jagu andmeid. Sellise lähenemise abil tuvastasid nad hapnikku, mille omadused andsid mõista, et see on osa umbes miljoni kelvini kraadise temperatuuriga gaasist.
Vaatlustulemusi hapnikult kogu elementide spektrile ja vaadeldud piirkonnalt kogu lokaalsele universumile ekstrapoleerides leidsid uurijad võimaliku selgituse kogu „puuduvale“ tava-ainele — vähemalt antud juhul sisaldus kogu tuvastamata aine WHIM-is.
„Oleme väga rahul, et suutsime osa kaotsiläinud ainest üles leida,“ rõõmustas uurimuse kaasautor, samuti Harvardi-Smithsoniani astrofüüsikakeskuse juures töötav Randall Smith. „Tulevikus saame sama meetodit rakendada teiste kvasarite juures ja loodetavasti veenduda, et pikaajaline mõistatus on tõesti viimaks lahenduse leidnud.“
Uurimuse tulemusi kirjeldav teadustöö ilmus teadusajakirjas Astrophysical Journal 2019. aasta 13. veebruaril.
