Смоделированное распределение холодной и теплой темной материи показано с использованием частиц, окрашенных в зависимости от температуры, и сопровождается иллюстрацией лунных телескопов. Автор: Парк Хюнбэ, Университет Цукубы.
Вселенная возникла около 13,8 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва, в момент чрезвычайно быстрого расширения. Примерно 400 000 лет спустя, когда космос остыл настолько, что в нем могли образоваться атомы, наступила долгая и спокойная фаза, известная как «Темные века». Этот период продолжался около 0,1 миллиарда лет и закончился только тогда, когда первые звезды и галактики наконец зажглись и начали излучать свет.
Хотя в это время Вселенная была темной, в ней не было полной тишины. Ученые полагают, что атомы водорода излучали очень слабые радиоволны с длиной волны 21 сантиметр. Считается, что эти сигналы сохраняют ценную информацию о самых ранних этапах космической истории.
Моделирование Ранней Вселенной и Темной материи
Используя передовые методы численного моделирования, исследователи из Университета Цукубы и Токийского университета изучили, как этот 21-сантиметровый сигнал может вести себя в соответствии с различными теориями темной материи. Темная материя — это невидимая форма материи, которая составляет около 80% всей материи во Вселенной.
Воссоздав структуру и движение газа и темной материи в молодой Вселенной на мощных суперкомпьютерах, исследовательская группа смогла с беспрецедентной точностью предсказать интенсивность радиоизлучения в Темные века.
Что этот сигнал может рассказать о Темной материи
Результаты моделирования показывают, что газообразный водород в Темные века генерировал отчетливый сигнал с яркостной температурой примерно в 1 милликельвин (одну тысячную градуса), если его усреднить по небу. Важно отметить, что темная материя, как ожидается, вызовет изменения в этом сигнале аналогичного размера.
Таким образом, измерение общего радиосигнала в широком диапазоне частот около 45 МГц может дать важную информацию о темной материи, включая массу и скорость ее частиц.
Почему ученые обращают внимание на Луну
Чтобы обнаружить такой чрезвычайно слабый сигнал, астрономам нужно место, свободное от помех, создаваемых атмосферой Земли и человеческими технологиями. Несколько предстоящих лунных миссий, включая японский проект «Цукуеми», нацелены на размещение радиотелескопов на Луне именно по этой причине.
Если этим лунным приборам удастся уловить древний радиосигнал, они могут предложить новый мощный способ исследования природы темной материи и углубить наше понимание того, как возникла Вселенная.
Финансирование и благодарности
Исследование было частично поддержано грантом NSF PHY-2309135 Института теоретической физики им. Кавли (KITP). Нью-Йорк выражает признательность за финансовую поддержку со стороны JSP International Leading Research 23K20035. Р.Б. и Нью-Йорк выражают благодарность за приглашение к участию в программе JSP S24099.