Сигнал возрастом в миллиарды лет помог обнаружить в космосе темную материю

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.
Сигнал возрастом в миллиарды лет помог обнаружить в космосе темную материю

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

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.