Радіотелескоп HERA, працюючи на довжині хвилі у 21 см, дозволив науковцям не лише зазирнути у перші сотні мільйонів років існування нашого Всесвіту, а й дізнатися, як у ньому поводилася темна матерія. Вважається, що вона відігравала значну роль у формуванні галактик.
Темна матерія у ранньому Всесвіті
Після майже століття спекуляцій, пропозицій і пошуків темної матерії фізики тепер знають, що вона становить близько 27% маси-енергії Всесвіту, а її кількість у п’ять разів перевищує кількість звичайної матерії, такої, як ви, океани та екзопланети.
Більшість матерії у Всесвіті темна. У великих масштабах вона холодна і не стикається ні з чим, що ми знаємо, тому її називають холодною темною матерією. Було запропоновано багато кандидатів, які могли б пояснити великомасштабну структуру Всесвіту, але жоден із них не був підтверджений експериментально.
Але на менших масштабах темна матерія може бути іншою і залишати різні сліди, особливо у ранньому Всесвіті. Звичайно, їх важче спостерігати.
Баріони, такі як протони й нейтрони, також існували у ранньому Всесвіті, і їхній вплив слід відрізняти від будь-якої темної матерії, яка була присутня; обидва впливали на формування менших структур.
На галактичних і субгалактичних відстанях існує безліч розбіжностей, і невідомо, чи всі ці розбіжності можна пояснити фізикою баріонів, зберігаючи при цьому сценарій холодної темної матерії. На масштабах довжини в один мегапарсек або менше і масах, менших за 100 мільярдів сонячних, це виявилося нелегко зробити.
Як виявити темну матерію?
Група під керівництвом Йо Вервольта (Jo Verwohlt) з Копенгагенського університету в Данії показала, що існує спосіб виявити темну матерію за допомогою глибоко зміщеної червоної лінії в спектрі водню, починаючи з перших світил і галактик, які зараз перебувають на далеких краях Всесвіту. Їх робота опублікована в журналі Physical Review D.
Деякі уявлення про темну матерію припускають, що вона взаємодіє з темним випромінюванням, також відомим як темний електромагнетизм або темні фотони. Оскільки фотони обмінюються в електромагнітних силах, темне випромінювання могло б опосередковувати взаємодію між частинками темної матерії.
Як і темна матерія, темне випромінювання не взаємодіяло б з іншими силами Стандартної моделі, слабкою та сильною. Невідомо, чи існує темне випромінювання; одним із кандидатів є стерильне нейтрино, якщо воно існує.
Темне випромінювання могло нагрівати щільний ранній Всесвіт, оскільки гаряче темне випромінювання взаємодіяло з темною матерією, підвищуючи її температуру. Потепління могло бути достатнім для того, щоб великі концентрації темної матерії утворили «гало темної матерії» — гіпотетичні області, в яких темна матерія була гравітаційно зв’язана і відокремилася від розширення Всесвіту, зв’язавшись локально і розширюючись як єдине ціле, подібно до сьогоднішніх галактик і скупчень.
Ці гало тимчасово і неодноразово чинили б опір гравітаційному колапсу — циклам, які називають темними акустичними коливаннями. Акустичними, бо вони є коливаннями густини, так само, як звукові хвилі є коливаннями густини повітря або іншої рідини.
Ці цикли темної матерії швидко згасли б, але спочатку вплинули б на початок «космічного світанку», коли перші галактики зі звичайної матерії утворилися з первісного газу, який був втягнутий у гало.
Темна матерія та вимірювання спектра
Вервольт та його команда досліджували, наскільки добре можна виміряти властивості темної матерії, використовуючи 21-сантиметровий спектр потужності при z > 10. («z» — це параметр червоного зміщення, який астрономи використовують для позначення того, як швидко інший об’єкт або область віддаляється від нас через космічне розширення, ефект Доплера, який включає релятивістські швидкості. Область, де z=10, розширюється зі швидкістю 99,8% від швидкості світла, віддаляючись від Землі).
На початку відбувалося б чисте поглинання (або випромінювання) 21-сантиметрових фотонів із космічного мікрохвильового фону нейтральними атомами водню в середовищі між галактиками.
«Таким чином, еволюція 21-сантиметрового сигналу (як глобальна, так і флуктуації) може бути використана для висновку про наявність загасання темної матерії на малих масштабах», — пишуть дослідники.
Вони використовували ефективну теорію формування структури, яка дозволяє визначити формування космологічної структури практично в будь-якій мікрофізичній моделі темної матерії, а також моделі інших фізичних процесів, щоб пов’язати 21-сантиметровий сигнал із щільністю швидкості зореутворення.
Їхній кінцевий результат показав, що радіотелескопу HERA в Південній Африці знадобиться майже півтора року спостережень за червоним зміщенням 21-сантиметрової лінії, щоб визначити, чи існують темні акустичні осциляції, та розрізнити кілька різних моделей темної матерії.
За матеріалами phys.org
