Радиотелескоп HERA работая, на длине волны в 21 см, позволил ученым не только заглянуть в первые сотни миллионов лет существования нашей Вселенной, но и узнать, как в ней вела себя темная материя. Считается, что она играла значительную роль при формировании галактик.
Темная материя в ранней Вселенной
После почти века спекуляций, предложений и поисков темной материи физики теперь знают, что она составляет около 27% массы-энергии Вселенной, а ее количество в пять раз превышает количество обычной материи, такой, как вы, океаны и экзопланеты.
Большая часть материи во Вселенной темная. В больших масштабах она холодная и не соприкасается ни с чем, что мы знаем, поэтому ее называют холодной темной материей. Было предложено много кандидатов, которые могли бы объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, но ни один из них не был подтвержден экспериментально.
Но на меньших масштабах темная материя может быть другой и оставлять различные следы, особенно в ранней Вселенной. Конечно, их труднее наблюдать.
Барионы, такие как протоны и нейтроны, также существовали в ранней Вселенной, и их влияние следует отличать от любой темной материи, которая присутствовала; оба влияли на формирование меньших структур.
На галактических и субгалактических расстояниях существует множество расхождений, и неизвестно, все ли эти расхождения можно объяснить физикой барионов, сохраняя при этом сценарий холодной темной материи. На масштабах длины в один мегапарсек или меньше и массах, меньших 100 миллиардов солнечных масс, это оказалось нелегко сделать.
Как обнаружить темную материю?
Группа под руководством Йо Вервольта (Jo Verwohlt) из Копенгагенского университета в Дании показала, что существует способ обнаружить темную материю с помощью глубоко смещенной красной линии в спектре водорода, начиная с первых звезд и галактик, которые сейчас находятся на дальних краях Вселенной. Их работа опубликована в журнале Physical Review D.
Некоторые представления о темной материи предполагают, что она взаимодействует с темным излучением, также известным как темный электромагнетизм или темные фотоны. Поскольку фотоны обмениваются в электромагнитных силах, темное излучение могло бы опосредовать взаимодействие между частицами темной материи.
Как и темная материя, темное излучение не будет взаимодействовать с другими силами Стандартной модели, слабой и сильной. Неизвестно, существует ли темное излучение; одним из кандидатов является стерильное нейтрино, если оно существует.
Темное излучение могло нагревать плотную раннюю Вселенную, поскольку горячее темное излучение взаимодействовало с темной материей, повышая ее температуру. Потепление могло быть достаточным для того, чтобы большие концентрации темной материи образовали «гало темной материи» — гипотетические области, в которых темная материя была гравитационно связана и отделилась от расширения Вселенной, связавшись локально и расширяясь как единое целое, подобно сегодняшним галактикам и скоплениям.
Эти гало временно и неоднократно сопротивлялись бы гравитационному коллапсу — циклам, которые называют темными акустическими колебаниями. Акустическими, потому что они являются колебаниями плотности, так же, как звуковые волны являются колебаниями плотности воздуха или другой жидкости.
Эти циклы темной материи быстро погасли бы, но сначала повлияли бы на начало «космического рассвета», когда первые галактики из обычной материи образовались из первоначального газа, который был втянут в гало.
Темная материя и измерения спектра
Вервольт и его команда исследовали, насколько хорошо можно измерить свойства темной материи, используя 21-сантиметровый спектр мощности при z > 10. («z» — это параметр красного смещения, который астрономы используют для обозначения того, как быстро другой объект или область удаляется от нас из-за космического расширения, эффект Доплера, который включает релятивистские скорости. Область, где z=10, расширяется со скоростью 99,8% от скорости света, удаляясь от Земли).
В начале происходило бы чистое поглощение (или излучение) 21-сантиметровых фотонов из космического микроволнового фона нейтральными атомами водорода в среде между галактиками.
«Таким образом, эволюция 21-сантиметрового сигнала (как глобальная, так и флуктуации) может быть использована для вывода о наличии затухания темной материи на малых масштабах», — пишут исследователи.
Они использовали эффективную теорию формирования структуры, которая позволяет определить формирование космологической структуры практически в любой микрофизической модели темной материи, а также модели других физических процессов, чтобы связать 21-сантиметровый сигнал с плотностью скорости звездообразования.
Их конечный результат показал, что радиотелескопу HERA в Южной Африке понадобится почти полтора года наблюдений за красным смещением 21-сантиметровой линии, чтобы определить, существуют ли темные акустические осцилляции, и различить несколько различных моделей темной материи.
По материалам phys.org
