Astronomer har ägnat decennier åt att leta efter något som låter som om det skulle vara svårt att missa:ungefär en tredjedel av den "normala" materien i universum. Nya resultat från NASA:s Chandra röntgenobservatorium kan ha hjälpt dem att hitta denna svårfångade yta av saknad materia.

Från oberoende, väletablerade observationer, forskare har med tillförsikt beräknat hur mycket normal materia - vilket betyder väte, helium och andra grundämnen – existerade strax efter Big Bang. Under tiden mellan de första minuterna och de första miljarderna åren eller så, mycket av den normala materien tog sig in i kosmiskt stoft, gas och föremål som stjärnor och planeter som teleskop kan se i dagens universum.

Problemet är att när astronomer summerar massan av all normal materia i dagens universum kan ungefär en tredjedel av den inte hittas. (Denna saknade materia är skild från den fortfarande mystiska mörka materian.)

En idé är att den saknade massan samlades till gigantiska trådar eller filament av varma (temperatur mindre än 100, 000 Kelvin) och varm (temperatur högre än 100, 000 Kelvin) gas i det intergalaktiska rymden. Dessa filament är kända av astronomer som det "varma-heta intergalaktiska mediet" eller WHIM. De är osynliga för optiska ljusteleskop, men en del av den varma gasen i filamenten har upptäckts i ultraviolett ljus.

Med hjälp av en ny teknik, forskare har hittat nya och starka bevis för den heta komponenten i WHIM baserat på data från Chandra och andra teleskop.

"Om vi ​​hittar denna saknade massa, vi kan lösa en av de största gåtorna inom astrofysik, " sa Orsolya Kovacs från Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) i Cambridge, Massachusetts. "Var gömde universum så mycket av sin materia som utgör saker som stjärnor och planeter och vi?"

Astronomer använde Chandra för att leta efter och studera filament av varm gas som låg längs vägen till en kvasar, en ljuskälla av röntgenstrålar som drivs av ett snabbt växande supermassivt svart hål. Denna kvasar ligger cirka 3,5 miljarder ljusår från jorden. Om WHIM:s hetgaskomponent är associerad med dessa filament, en del av röntgenstrålarna från kvasaren skulle absorberas av den heta gasen. Därför, de letade efter en signatur av het gas präglad i kvasarens röntgenljus som upptäcktes av Chandra.

En av utmaningarna med denna metod är att absorptionssignalen från WHIM är svag jämfört med den totala mängden röntgenstrålar som kommer från kvasaren. När man söker igenom hela spektrumet av röntgenstrålar vid olika våglängder, det är svårt att skilja sådana svaga absorptionsegenskaper – faktiska signaler från WHIM – från slumpmässiga fluktuationer.

Kovacs och hennes team övervann detta problem genom att fokusera sin sökning endast på vissa delar av röntgenljusspektrat, minskar sannolikheten för falska positiva resultat. De gjorde detta genom att först identifiera galaxer nära siktlinjen till kvasaren som är belägna på samma avstånd från jorden som regioner med varm gas som detekteras från ultravioletta data. Med denna teknik identifierade de 17 möjliga filament mellan kvasaren och oss, och fick sina avstånd.

På grund av universums expansion, som sträcker ut ljuset när det färdas, all absorption av röntgenstrålar av materia i dessa filament kommer att förskjutas till rödare våglängder. Storleken på skiftningarna beror på de kända avstånden till glödtråden, så teamet visste var de skulle söka i spektrumet efter absorption från WHIM.

"Vår teknik liknar i princip hur du kan genomföra ett effektivt sökande efter djur på Afrikas vidsträckta slätter, sa Akos Bogdan, en medförfattare också från CfA. "Vi vet att djur behöver dricka, så det är vettigt att söka runt vattenhål först."

Samtidigt som deras sökning hjälpte, forskarna var också tvungna att övervinna problemet med svagheten i röntgenabsorptionen. Så, de förstärkte signalen genom att addera spektra tillsammans från 17 filament, förvandla en 5,5 dagar lång observation till motsvarande nästan 100 dagars data. Med denna teknik upptäckte de syre med egenskaper som tyder på att det fanns i en gas med en temperatur på cirka en miljon grader Kelvin.

Genom att extrapolera från dessa observationer av syre till hela uppsättningen av element, och från det observerade området till lokaluniversum, forskarna rapporterar att de kan redogöra för hela mängden saknat material. Åtminstone i detta speciella fall, den saknade saken hade trots allt gömt sig i WHIM.

"Vi var glada över att vi kunde spåra en del av det här saknade ämnet", sa medförfattaren Randall Smith, även av CfA. "I framtiden kan vi tillämpa samma metod på andra kvasardata för att bekräfta att detta långvariga mysterium äntligen har spräckts."

En artikel som beskriver dessa resultat publicerades i Astrofysisk tidskrift den 13 februari, 2019.