С помощью современных радиоантенн небольшая группа астрономов смогла изучить древний космический рассвет — отголоски свечения самых первых звезд во Вселенной, появившихся миллиарды лет назад. Кроме того, это наблюдение послужило неожиданным свидетельством того, что частицы темной материи — невидимой субстанции, составляющей большую часть материального мира, — могут быть намного легче, чем думали физики.
Василий Макаров

Молодая Вселенная

Все началось благодаря Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES), массиву из трех радиоантенн на западе Австрали, общая стоимость которых составляет порядка $2 000 000. Пять исследователей, работающих на этом оборудовании, искали признаки того, что атомы водорода, обильно пронизывавшие новорожденную Вселенную, поглощали микроволновое излучение, оставшееся от Большого Взрыва.

Поглощение отмечает момент, после которого первые звезды начали испускать первый свет. До этого момента внутренние состояния атомов находились в равновесии с микроволнами — излучение и поглощение были равны. Но именно свет от первых звезд сдвинул баланс внутри атомов, нарушил это равновесие и позволил атомам поглощать больше микроволн, чем они испускают.

Расширение Вселенной растягивает сигнал поглощения от первоначальной длины волны в 21 сантиметр до более длинных радиоволн. Однако радиошумы нашей галактики интенсивнее примерно в 30 000 раз, а потому создают огромное количество помех. Чтобы пробиться сквозь них, исследователи EDGES полагались на определенный, предсказуемый спектр шума. На этой неделе они опубликовали в журнале Nature информацию о том, что им удалось обнаружить крошечный сигнал поглощения — кумулятивные тени, судя по всему, оставшиеся от водородных облаков, существовавших между 180 и 250 миллионами лет после Большого Взрыва.

По словам Джуда Боумена (Judd Bowman), экспериментального астрофизика в Университете штата Аризона, это уникальная возможность заглянуть в далекое прошлое и узнать, на что была похожа Вселенная в самом начале своего развития. Ученые надеются использовать сигнал поглощения или более слабое и позднее излучение, чтобы составить трехмерную карту распределения водорода в эти так называемые «космические темные века», отследив его дальнейшую эволюцию в эмбриональную галактику.

Согласно измерениям, степень поглощения в два раза больше, чем прогнозировалось — это говорит о том, что водород был значительно холоднее, чем астрономы полагали ранее. Тепловая энергия не может просто уйти в никуда, газ должен был сообщить ее чему-то более холодному, чем он сам. Этим холодным веществом и была та самая темная материя, которая потом срослась в глыбы и помогла формированию галактик. Это объясняет Реннан Баркана (Rennan Barkana), астрофизик из Тель-Авивского университета в Израиле. Во второй статье в Nature Баркана утверждает, что для охлаждения водорода частицы темной материи должны были быть в пять раз массивнее атома водорода. В противном случае атомы отскакивали бы от них, не теряя энергии и становясь все холоднее, точно так же, как мяч для игры в пинг-понг отскакивает от шара для боулинга, не замедляя его.

Как поймать темную материю

Многие методики поиска темной материи нацелены на гипотетически слабо взаимодействующие крупные частицы, которые обычно в сотни раз больше атомов водорода. Поскольку они пока ни к чему не привели, многие физики сменили стратегию и обратили внимание на более легкие частицы темной материи — и результаты новой работы говорят, что это верный путь. Но сейчас еще слишком рано исключать и другие сценарии, объясняющие феномен холодного водорода.

Другой вопрос, который волнует мировую науку — не являются ли результаты исследования ложными «артефактами», возникшими в результате погрешности системы. В данном случае это более чем возможно: отклонение всего на несколько сотых долей процента могут значительно исказить картину. Боумен уверен, что он и его коллеги предприняли все меры для того, чтобы избежать ошибки, но, как настоящие ученые, они будут рады, если и другие команды проверят и подтвердят их результат.

Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.