Місяць допоможе розкрити таємницю темної матерії

Дослідники змоделювали радіосигнали з раннього Всесвіту, щоб виявити природу темної матерії під час космічних «темних віків».

Моделювання раннього Всесвіту

Щоб подолати невизначеності у вивченні походження космічних структур, учені звернулися до простішого періоду еволюції — перших сотень мільйонів років після Великого вибуху. Такий підхід дозволив відтворити умови молодого Всесвіту й простежити, як формувалися його дрібномасштабні структури. Дослідники створили надточні симуляції, які показали, як газ охолоджувався під час розширення Всесвіту, утворюючи невеликі згустки через гравітаційну взаємодію з невидимою субстанцією — темною матерією.

З часом цей газ стискався, підвищуючи власну температуру, що створювало радіосигнали з довжиною хвилі 21 сантиметр. Саме цей спектральний підпис атомів водню, як пояснює Хюнбей Пак, «містить у собі відбиток фізичних умов епохи, коли ще не було жодної зорі».

Холодна чи тепла темна матерія

Одним із головних питань астрофізики залишається маса частинок темної матерії. Якщо вони легкі, менше 5 % маси електрона, така речовина вважається «теплою», і вона пригнічує утворення малих структур. Натомість важчі частинки формують «холодну» темну матерію, що сприяє появі дрібних галактик. Науковці порівняли обидва сценарії у симуляціях і дійшли висновку, що середньонебесна сила 21-сантиметрового сигналу помітно залежить від типу темної матерії.

«Різниця в яскравісній температурі становить менше мілікельвіна, але саме вона може стати ключем до розв’язання цієї космічної загадки», — наголошують автори дослідження. Цей результат дає можливість майбутнім місячним експериментам розрізняти конкуруючі моделі та наблизитися до визначення маси частинок темної матерії.

Малюнок 1. На цій візуалізації кожна точка представляє газову частинку з масою приблизно в 1000 разів більшою за масу Сонця в симуляції космічних темних віків. Ліва і права панелі порівнюють сценарії холодної і теплої темної матерії відповідно. Колір позначає температуру газу: жовтий, червоний і чорний відповідають приблизно 200, 50 і 20 Кельвінам відповідно. Час рухається зверху вниз, показуючи еволюцію газових структур протягом космічних темних віків. Зображення: Hyunbae Park

Місяць як природна лабораторія

Сигнал із «темних віків» очікується на частотах близько 50 МГц або нижче, однак спостерігати його з Землі майже неможливо. Іоносфера та антропогенні радіоперешкоди спотворюють слабкі космічні хвилі. Саме тому далекий бік Місяця, ізольований від земного шуму, вважається ідеальним місцем для фіксації древнього водневого випромінювання.

Згідно з даними Kavli IPMU, «Місяць пропонує унікальне середовище для найчутливіших радіоспостережень у людській історії». Тут планується розгорнути спеціальні антени в межах міжнародних місій — японської Tsukuyomi, американської CLPS і китайської DSL. Вони мають забезпечити перші прямі вимірювання сигналу з епохи, коли ще не існувало зірок.

Мотивація та перспективи

Попри складність реалізації місячної обсерваторії — технологічну, фінансову й логістичну, — все більше країн виявляють готовність об’єднати зусилля в цій новій «радіоастрономічній гонці». Завдяки міжнародній кооперації можливим стає завдання, яке ще недавно вважалося фантастичним: визначити масу частинок темної матерії за спостереженнями з поверхні Місяця.

Як зазначає Наокі Йошида, «вимірювання слабких радіосигналів із темних віків може стати найпрямішим шляхом до розуміння природи темної матерії». Такі експерименти не лише відкриють новий розділ космології, а й дадуть змогу перевірити фундаментальні теорії про формування перших структур у Всесвіті.

Висновок

Моделювання сигналів із раннього Всесвіту продемонструвало, що навіть найслабкіше 21-сантиметрове випромінювання здатне пролити світло на походження невидимої субстанції, яка становить 80 % усієї матерії. Місячні радіообсерваторії можуть стати ключем до розкриття того, з чого побудовано Всесвіт, і відкрити шлях до нового етапу у розумінні його найдавніших епох.