|
Миссии на Луну могут обнаружить темную материю
|
|
|
|
Международное исследовательское сотрудничество использовало передовые компьютерные модели для изучения того, как слабые радиосигналы из ранней Вселенной, которые вскоре будут наблюдаться с обратной стороны Луны, могут пролить свет на фундаментальные свойства темной материи.
|
|
|
|
Обычная материя, из которой состоят звезды, планеты и все, что мы можем видеть, составляет лишь около 20% всей материи во Вселенной. Считается, что оставшиеся 80% составляют темная материя: таинственная субстанция, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет, и чья истинная природа остается одной из величайших нерешенных проблем современной физики. Известно, что, несмотря на свою невидимость, темная материя играет жизненно важную роль в формировании галактик, таких как 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, составляют менее 5% массы электрона, то темная материя считается теплой и будет препятствовать образованию структур размером меньше галактик. Однако, если частицы тяжелее, темная материя классифицируется как холодная, что способствовало бы росту структур меньшего масштаба.
|
|
|
|
Астрономы давно стремились определить массу частиц темной материи, изучая мелкомасштабные структуры, состоящие из газа и звезд, поскольку эта информация имеет решающее значение для физиков, изучающих частицы, для разработки теоретических моделей темной материи.
|
|
|
|
|
|
|
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, было сосредоточено на небольших газовых облаках, которые существовали во время космических темных веков, в первые 100 миллионов лет после Большого взрыва, до образования звезд и галактик.
|
|
|
|
Команду возглавлял постдокторант Университета Цукуба Хюнбэ Парк, который в свое время работал исследователем проекта в Институте физики и математики Вселенной имени Кавли Токийского университета (Kavli IPMU, WPI), а также профессор Кавли IPMU и приглашенный ученый Института астрофизики Макса Планка Наоки Йошида.
|
|
|
|
Поскольку формирование и эволюция звезд и галактик связаны со сложными и малоизученными процессами, точное моделирование их поведения остается одной из основных задач современной вычислительной астрофизики. Обратившись к эпохе, предшествовавшей возникновению этих сложностей, исследователи смогли смоделировать ранние космические структуры с беспрецедентной точностью.
|
|
|
|
Результаты моделирования (см. рис. 1) показал, как газ постепенно охлаждался по мере расширения Вселенной, образуя небольшие газовые сгустки в результате гравитационного взаимодействия с темной материей в Темные века. Газ в этих скоплениях стал намного плотнее, чем в обычной Вселенной, и нагрелся из-за сжатия. Это изменение плотности и температуры было зафиксировано в 21-сантиметровом радиоизлучении атомов водорода.
|
|
|
|
Команда ученых смоделировала этот древний сигнал от первичных газовых облаков и обнаружила, что его усредненная по небу сила сильно зависит от того, теплая или холодная темная материя (рис. 2). По мнению исследователей, это различие может позволить будущим лунным экспериментам различать конкурирующие сценарии с темной материей.
|
|
|
|
Ожидается, что сигнал "Темных веков" будет появляться на частотах около 50 МГц или ниже с характерной частотной модуляцией, а разница между двумя сценариями с темной материей составляет менее милликельвина в яркостной температуре.
|
|
|
|
Эти частоты сильно загрязнены сигналами, создаваемыми человеком на Земле, и еще больше затемнены ионосферой, что делает практически невозможным обнаружение сигнала наземными обсерваториями. Напротив, обратная сторона Луны обеспечивает радиошумящую среду, защищенную от наземных помех, и считается идеальным местом для обнаружения неуловимого сигнала Темных веков (рис. 3).
|
|
|
|
Хотя строительство радиообсерваторий на Луне сопряжено с серьезными технологическими и финансовыми трудностями, все большее число стран осуществляют такие миссии в рамках новой космической гонки, сочетая научные амбиции с технологическим прогрессом. Учитывая растущую международную активность, в ближайшие десятилетия считается возможным определить массу частиц темной материи с помощью лунных наблюдений. Среди этих стран Япония активно развивает проект "Цукуеми", в рамках которого планируется разместить радиоантенны на Луне.
|
|
|
|
Исследования команды дают важное теоретическое руководство для этих миссий ближайшего будущего, чтобы максимизировать их научную отдачу.
|
|
|
|
Источник
|
