Для решения загадки темной материи нужно знать массу частиц, из которых она состоит. Это можно попытаться сделать по реликтовым сигналам атомов водорода на волне 21 см. На Земле их поймать крайне сложно. Тихая обратная сторона Луны — совсем другое дело — пишет « Hi-Tech_Mail.ru ».
Автор Hi-Tech Mail
Международная исследовательская группа использовала передовые методы компьютерного моделирования, чтобы выяснить, как слабые радиосигналы из ранней Вселенной, которые в недалеком будущем станут фиксироваться миссиями на обратной стороне Луны, могут пролить свет на фундаментальные свойства темной материи.
Вселенная согласно последним представлениям космологии, состоит из темной энергии (74%) и материи — видимой барионной и невидимо темной. Из 26% материального вещества обычная барионная материя, из которой состоят звезды, планеты, межгалактический газ и вообще все, что мы можем видеть и изучать напрямую, составляет лишь около пятой части. Остальные 4/5 считаются темной материей — загадочной сущностью, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет. Ее истинная природа остается одной из величайших нерешенных проблем современной физики. Несмотря на свою невидимость, темная материя играет важную роль в формировании галактик и крупномасштабной структуры Вселенной.
Одним из ключевых свойств темной материи является гипотетически измеримая масса составляющих ее частиц. При этом даже не важно, как называются эти частицы — аксионы, гравитино или WIMP. Если эти частицы относительно легкие, например если их масса составляет менее 5% от массы электрона, то темная материя считается теплой и препятствует формированию устойчивых структур меньшего размера, чем галактики. Однако если частицы тяжелее, то темная материя классифицируется как холодная, что благоприятствует росту структур меньшего масштаба.
Астрономы давно пытаются определить массу частиц темной материи, изучая мелкомасштабные структуры, состоящие из газа и звезд, поскольку эта информация крайне важна для физиков, занимающихся разработкой теоретических моделей мироздания.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, было посвящено небольшим газовым облакам, существовавшим во время космической «темной эпохи» — в первые 100 миллионов лет после Большого взрыва, до образования звезд и галактик.
Поскольку формирование и эволюция организованных структур (таких как звезды и галактики) связаны со сложными и малоизученными процессами, точное моделирование их поведения остается серьезной проблемой в современной вычислительной астрофизике. Обратившись к эпохе, когда этих сложностей еще не было, исследователи смогли смоделировать ранние космические структуры с беспрецедентной точностью.
Результаты моделирования (см. рис. 1) показали, как газ постепенно остывал по мере расширения Вселенной, образуя небольшие скопления в результате гравитационного взаимодействия с темной материей в «доисторический» период. Газ в этих скоплениях стал намного плотнее, чем в среднем по Вселенной, и нагрелся из-за сжатия. Это изменение плотности и температуры отразилось на реликтовом 21-сантиметровом радиоизлучении атомов водорода.
Команда смоделировала этот древний сигнал, исходящий от первичных газовых облаков, и обнаружила, что его усредненная по небесной сфере сила сильно зависит от того, является ли темная материя теплой или холодной (рис. 2). По мнению исследователей, эта разница может позволить будущим лунным экспериментам выявить различия между конкурирующими сценариями существования темной материи.
Ожидается, что сигнал «темных веков» будет появляться на частотах около 50 МГц или ниже с характерной частотной модуляцией, а разница между двумя сценариями существования темной материи будет составлять менее милликельвина по температуре яркости.
Эти частоты сильно загрязнены искусственными сигналами на Земле и дополнительно искажаются ионосферой, что делает обнаружение сигнала с помощью наземных обсерваторий практически невозможным. Напротив, обратная сторона Луны представляет собой очень тихую радиочастотную среду, защищенную от земных помех, и потому считается идеальным местом для обнаружения неуловимого сигнала «Темных веков» (рис. 3).
Хотя строительство радиообсерваторий на Луне сопряжено с серьезными технологическими и финансовыми трудностями, все больше стран заявляют о намерении участвовать в таких проектах в рамках новой космической гонки, сочетая научные амбиции с технологическим прогрессом. Благодаря растущему международному интересу в ближайшие десятилетия станет возможным определить массу частиц темной материи с помощью наблюдений с Луны.
О том, что астрономы в будущем переселятся на Луну, Hi-Tech Mail уже рассказывал здесь.
