|
Наблюдение за темной материей на заре Вселенной
|
|
|
|
После почти столетия спекуляций, предложений и поисков темной материи физики теперь знают, что в настоящее время она составляет около 27% массы-энергии Вселенной, и ее количество более чем в пять раз превышает количество обычной материи, такой как вы, океаны и экзопланеты.
|
|
|
|
Большая часть материи во Вселенной темная. В больших масштабах она холодная и не сталкивается ни с чем, что мы знаем, поэтому ее называют "холодной темной материей". Было предложено много вариантов, которые могли бы объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, но ни один из них не был установлен экспериментально. Но в меньших масштабах темная материя может быть другой и оставлять другие следы, особенно в ранней Вселенной. Конечно, их труднее наблюдать.
|
|
|
|
Барионы, такие как протоны и нейтроны, также существовали в ранней Вселенной, и их воздействие следует отличать от воздействия любой присутствовавшей темной материи; и то, и другое могло бы повлиять на формирование более мелких структур.
|
|
|
|
На галактических и субгалактических расстояниях существует множество расхождений, и неизвестно, можно ли объяснить все эти расхождения с помощью физики барионов, сохраняя при этом сценарий холодной темной материи. На масштабах длины в один мегапарсек или меньше и массах, меньших 100 миллиардов солнечных масс, это оказалось непросто сделать.
|
|
|
|
|
|
|
Группа ученых под руководством Джо Верволта (Jo Verwohlt) из Копенгагенского университета в Дании показала, что существует способ обнаружения темной материи, используя линию с глубоким красным смещением в спектре водорода, исходящую от первых звезд и галактик, которые сейчас находятся на дальнем краю Вселенной. Их работа опубликована в журнале Physical Review D.
|
|
|
|
Некоторые идеи о темной материи предполагают, что она взаимодействует с темным излучением, также известным как темный электромагнетизм или темные фотоны. Поскольку фотоны обмениваются электромагнитными силами, темное излучение может опосредовать взаимодействия между частицами темной материи.
|
|
|
|
Так же, как и темная материя, темное излучение не взаимодействует с другими взаимодействиями стандартной модели - слабым и сильным взаимодействиями. Неизвестно, существует ли темное излучение; одним из возможных вариантов является стерильное нейтрино, если оно существует.
|
|
|
|
Темное излучение могло нагреть плотную раннюю Вселенную, поскольку горячее темное излучение взаимодействовало с темной материей, повышая ее температуру. Потепления, возможно, было достаточно для того, чтобы большие концентрации темной материи образовали "ореолы темной материи", гипотетические области, в которых темная материя гравитационно связана и отделилась от расширения Вселенной, локально связанные друг с другом и расширяющиеся как единое целое, во многом подобно галактикам и скоплениям сегодня.
|
|
|
|
Эти ореолы будут временно и многократно сопротивляться гравитационному коллапсу, циклам, которые называются "темными акустическими колебаниями" — акустическими, потому что они представляют собой колебания плотности, точно так же, как звуковые волны являются колебаниями плотности воздуха или какой-либо другой жидкости.
|
|
|
|
Эти циклы темной материи быстро прекратились бы, но сначала повлияли бы на начало "космического рассвета", когда первые галактики из обычной материи сформировались из первичного газа, который был втянут в гало.
|
|
|
|
Верволт и ее команда исследовали, "насколько хорошо мы могли бы измерить свойства темной материи, используя 21-сантиметровый спектр мощности при z > 10". ("z" - это параметр красного смещения, который астрономы используют для обозначения скорости удаления другого объекта или области от нас из-за космического расширения, эффекта Доплера, который включает в себя релятивистские скорости. Область, где z=10, удаляется от Земли на 99,8% скорости света.)
|
|
|
|
Условия вокруг космического рассвета повлияли бы на 21-сантиметровый свет. (21-сантиметровый свет испускается, когда нейтральный атом водорода с одним протоном и одним электроном переходит из состояния, когда спины обеих частиц направлены в одном направлении, в состояние, когда спин электрона противоположен неизменному спину протона, так называемый сверхтонкий спин-флип-переход.)
|
|
|
|
На раннем этапе наблюдалось бы суммарное поглощение (или излучение) 21-сантиметровых фотонов из космического микроволнового фона нейтральными атомами водорода в среде между галактиками.
|
|
|
|
"Таким образом, эволюция 21-сантиметрового сигнала (как глобального, так и флуктуационного) может быть использована для вывода о наличии затухания темной материи в небольших масштабах", - пишут они.
|
|
|
|
Они использовали "эффективную теорию структурообразования", которая позволяет определить формирование космологической структуры практически в любой микрофизической модели темной материи, а также модели других физических процессов, чтобы связать сигнал длиной 21 см с плотностью скорости звездообразования.
|
|
|
|
Их конечный результат показал, что радиотелескопу HERA в Южной Африке потребуется почти полтора года для наблюдения за 21-сантиметровой линией с красным смещением, чтобы определить, существуют ли акустические колебания в темноте, и различить несколько различных моделей в темноте.
|
|
|
|
Источник
|
