Международная исследовательская группа использовала передовые компьютерные симуляции, чтобы изучить, как слабые радиосигналы из ранней Вселенной, которые вскоре будут наблюдаться в ходе миссий на обратной стороне Луны, могут пролить свет на фундаментальные свойства темной материи, сообщает новое исследование, опубликованное в Nature Astronomy.
Что такое темная материя
Обычная материя, из которой состоят звезды, планеты и все, что мы видим, составляет лишь около 20% всей материи во Вселенной. Остальные 80%, как полагают, занимает темная материя: загадочное вещество, которое не излучает, не поглощает и не отражает свет, и чья истинная природа остается одной из величайших нерешенных проблем современной физики. Несмотря на свою невидимость, темная материя, как известно, играет важную роль в формировании галактик, таких как наш Млечный Путь, и в формировании крупномасштабной структуры Вселенной.
Одним из ключевых свойств темной материи является масса составляющих ее частиц. Если эти частицы относительно легкие, например, меньше 5% от массы электрона, то темная материя считается «теплой» и препятствует формированию структур, меньших по размеру, чем галактики. Однако если частицы тяжелее, темная материя классифицируется как «холодная», что способствует росту более мелких структур.
Астрономы давно пытаются определить массу частиц темной материи, изучая мелкомасштабные структуры, состоящие из газа и звезд, поскольку эта информация имеет решающее значение для физики частиц при разработке теоретических моделей темной материи.
Что нового
Новое исследование было посвящено небольшим газовым облакам, существовавшим в космическую Темную эпоху — первые 100 млн лет после Большого взрыва, до образования звезд и галактик. Поскольку образование и эволюция звезд и галактик сопровождаются сложными и плохо изученными процессами, точное моделирование их поведения остается одной из основных задач современной вычислительной астрофизики. Сосредоточив внимание на эпохе, предшествовавшей появлению этих сложностей, исследователи смогли смоделировать ранние космические структуры с беспрецедентной точностью.
Результаты моделирования показали, как газ постепенно охлаждался по мере расширения Вселенной, образуя небольшие скопления газа в результате гравитационного взаимодействия с темной материей. Газ в этих скоплениях стал гораздо плотнее, чем в средней Вселенной, и нагрелся из-за сжатия. Это изменение плотности и температуры отразилось в 21-сантиметровом радиоизлучении атомов водорода. Команда смоделировала этот древний сигнал от первобытных газовых облаков и обнаружила, что его средняя сила в небе зависит от того, является ли темная материя теплой или холодной. По мнению исследователей, это различие может позволить будущим лунным экспериментам опознавать конкурирующие сценарии темной материи.
Как заметить темную материю
Ожидается, что сигнал «темных веков» будет появляться на частотах около 50 МГц или ниже с характерной частотной модуляцией, а разница между двумя сценариями темной материи составляет менее милликельвина в яркостной температуре. Эти частоты сильно загрязнены искусственными сигналами на Земле и еще больше затушевываются ионосферой, что делает практически невозможным обнаружение сигнала с наземных обсерваторий. Напротив, обратная сторона Луны предлагает радио-тихую среду, защищенную от земных помех, и считается идеальным местом для обнаружения неуловимого сигнала «темных веков».
Несмотря на то, что строительство радиообсерваторий на Луне сопряжено с серьезными технологическими и финансовыми трудностями, все больше стран участвуют в таких миссиях в рамках новой космической гонки, сочетая научные амбиции с технологическим прогрессом. С учетом растущего международного интереса к этой теме, в настоящее время считается возможным определить массу частиц темной материи с помощью наблюдений с Луны в ближайшие десятилетия. Среди этих стран Япония активно развивает проект Tsukuyomi, в рамках которого планируется разместить радиоантенны на Луне.
Ранее Наука Mail рассказала, что в Китае заработал крупнейший в мире подземный детектор нейтрино.
