Проблема недостающей барионной материи остаётся одной из ключевых задач современной космологии. Согласно стандартной модели ΛCDM и данным космического микроволнового фона, барионная материя составляет примерно 5% всей массы-энергии Вселенной. Однако наблюдения во всём диапазоне электромагнитного спектра выявляют только около 60-70% ожидаемого количества барионов. Оставшиеся 30-40% долгое время оставались загадкой, вызывая так называемую проблему недостающих барионов. Новейшие исследования и космологические модели предсказывают, что большая их часть скрывается в разбавленном, но огромном пространстве космической паутины — в форме теплого-горячего межгалактического вещества (Warm-Hot Intergalactic Medium, WHIM), которое простирается вдоль гигантских нитей, связывающих галактические кластеры.
WHIM характеризуется низкой плотностью и температурой в диапазоне от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов градусов Кельвина, что соответствует энергичным состояниям рентгеновского излучения в диапазоне 0.01–1 кеВ. Из-за своей слабой плотности и мягкого спектра эти облака практически не видны традиционными приборами, а их обнаружение требует исключительной чувствительности и тщательного устранения фоновых шумов и загрязнений от точечных источников, таких как активные ядра галактик (AGN). Последние наблюдения, проведённые с помощью рентгеновских телескопов Suzaku и XMM-Newton, позволили впервые напрямую визуализировать и спектроскопически проанализировать излучение WHIM, расположенного в протяжённой структуре длиной 7,2 мегапарсека, протянувшейся между двумя парами галактических кластеров в сверхскоплении Шепли — одном из крупнейших скоплений галактик в локальной Вселенной. Использование преимуществ телескопа Suzaku с малым инструментальным фоном и высокой чувствительностью к низко яркому рентгеновскому излучению позволило выявить отклонения в уровне излучения, согласующиеся с теоретическими моделями теплого-горячего межгалактического газа.
Эти наблюдения дополнялись данными XMM-Newton, обладающего превосходным угловым разрешением, что позволило точно идентифицировать и ислючить из анализа влияние точечных рентгеновских источников. Такая комбинированная методика обеспечила обнаружение исключительно межгалактического газа, без влияния наложенных галактик и скоплений. Результаты дали оценку температуры газа примерно в 0,8-1,1 кеВ, плотности электронов порядка 10⁻⁵ см⁻³ и baryonic overdensity — избыточного барионного содержания относительно критической плотности, на уровне 30-40. Это согласуется с предсказаниями крупных симуляций структуры Вселенной и является важным подтверждением, что именно в таких космических нитях скрываются значительные резервы барионной материи. Помимо рентгеновских измерений, оптические наблюдения и анализ распределения спектроскопических красных смещений галактик позволили определить трехмерную геометрию самой нити и её ориентацию относительно плоскости неба с углом около 53°.
Это дало возможность оценить фактическую длину структуры и соотнести её с измерениями общего излучения, что повысило точность получаемых параметров. До сих пор WHIM удавалось обнаруживать либо косвенно, через поглощение рентгеновских и ультрафиолетовых линий в спектрах удалённых квазаров и гамма-всплесков, либо статистическими методами, такими как сложение сигналов от множества нитей. Следующий шаг — получение спектроскопических данных именно по отдельной, нисходящей по плотности и «чистой» нити — позволил впервые в истории астрономии с уверенностью говорить о детальном наблюдении WHIM. Важным аспектом исследования оказалось выделение фонового излучения и точечных источников с помощью XMM-Newton. Устранение подобных contamintions крайне важно, поскольку даже небольшие остаточные сигналы от активных галактических ядер могут сильно исказить параметры измеренного газа и создать ложное впечатление о слишком высокой плотности или температуре газа в нитях.
Подобный технический успех свидетельствует не только о росте технологических возможностей обсерваторий, но и о повышении качества данных, к которому стремятся современные астрофизики. Полученные характеристики WHIM — температуры около 1 кеВ и плотности электрона примерно 10⁻⁵ см⁻³ — хорошо соответствуют критическим параметрам, необходимым для восполнения недостающей барионной материи. Более того, оценка суммарной массы газа в наблюдаемой нити показала, что она сравнима с массой четырёх прилегающих галактических кластеров вместе взятых. Это кардинально меняет представление об общем распределении масс в локальной Вселенной и подчеркивает важность космической паутины как ключевого резервуара нормальной материи. Эти результаты обладают значительными последствиями для понимания крупномасштабной структуры Вселенной и развития космологии.
Во-первых, они способствуют разрешению известной проблемы недостающей барионной материи, помогая заполнить пробелы в наблюдаемой массе галактических структур. Во-вторых, напрямую выявляя горячий межгалактический газ, ученые получают возможность точнее оценивать вклады филаментов в гравитационную динамику и кинематику местного крупномасштабного распределения материи, что важно для оценки больших галактических потоков и анизотропий расширения. Паучьи нити, соединяющие галактические скопления, являются не просто пространственными мостами, но транспортными артериями, по которым материальная среда движется и формирует новые структуры. Понимание характеристик WHIM открывает пути к лучшему пониманию процессов аккреции массы, физики среды, которая окружает галактики и скопления, и эволюции Вселенной в целом. В частности, ученые надеются использовать данные о WHIM для более корректного моделирования потоков энергии, распределения элементов, а также влияния на свет, проходящий через подобные структуры.
В последние годы другие методики, например измерения дисперсии быстрых радиовсплесков, успешно подтверждают наличие барионной материи в межгалактическом пространстве, близкое к предсказаниям ΛCDM. Однако именно рентгеновские спектроскопические наблюдения, подобные описываемым, обещают стать наиболее точным и детальным инструментом для изучения физики WHIM и её роли в общей структуре космоса. Отметим, что эти достижения стали возможны благодаря инновационным алгоритмам анализа данных, которые позволяют максимально эффективно подавлять шумы и выделять слабые сигналы. Так, для выделения нитевых структур в трёхмерных данных спектроскопических измерений был использован продвинутый инструмент T-REx, основанный на минимальных остовах и гауссовских моделях смешения, что позволило идентифицировать прецизионные пространственные контуры нитей. Пост-обработка с помощью программы COWS обеспечила выделение центрального «хребта» и позволила более точно оценить параметры геометрии и ориентации нитей.
Данные исследования далеко не последние в понимании WHIM и недостающей материи. Однако уже сейчас они задают новый стандарт по точности и полноте измерений, подчеркивают необходимость использования комбинированных методов наблюдения, и фокусируются на важности комплексного подхода, который включает в себя как чувствительные инструменты для слабого рентгеновского излучения, так и высокое пространственное разрешение для выявления точечных источников. Для дальнейшего прогресса учёным важно расширять спектр наблюдаемых объектов и структур, тщательно изучать различия в физических свойствах WHIM в разном окружении, сопоставлять наблюдения с результатами универсальных гидродинамических симуляций и искать новые методы для минимизации влияния смещений и системных эффектов. Развитие будущих рентгеновских обсерваторий с высоким пространственным и спектральным разрешением, а также глубокие наблюдения с других длинах волн, особенно ультрафиолетового и радио, обещают дать ещё более полный портрет межгалактического вещества. В итоге, обнаружение проблесков ранее загадочного WHIM и оценка свойств барионной материи в космических филаментах изменяют представления о крупномасштабной структуре и материи Вселенной.
Они не только приближают разрешение фундаментальной космологической проблемы, но и позволяют взглянуть под новую призму на распределение вещества, структуру и динамику космоса, а вместе с ними — и на будущее исследование космоса с применением самых современных технологий.
