Исследование: тёмная материя видна сквозь лес
Художественная реконструкция пути фотона через межгалактический газ. Автор: UC Riverside
Плотные пики на графике распределения длин волн, наблюдаемые в лесу Лайман-Альфа, действительно напоминают множество маленьких деревьев. Каждый из этих пиков представляет собой внезапное падение «света» на определенной узкой длине волны, эффективно отображая материю, с которой свет столкнулся на своем пути к нам.
Это что-то вроде теневого кукольного театра, где мы угадываем персонажа, находящегося между светом и экраном, по его силуэту. «Тень» молекул водорода, подвешенная на огромных расстояниях между нами и светом, излучаемым интенсивными источниками света еще дальше, хорошо известна астрофизикам.
Используемые изображения называются спектрограммами. Это разложение излучения, которое для простоты мы будем называть светом, но которое также включает в себя частоты, которые наши глаза не видят, на составляющие его диапазоны длин волн.
«Это похоже на очень мелкозернистую радугу», — объясняет Симеон Бёрд, физик из Калифорнийского университета в Риверсайде и один из авторов исследования.
Мы видим радугу, когда солнечный свет проходит через призму (или каплю воды) и разделяется на «ингредиенты»: смешанные длины волн выглядят как белый свет.
В спектрограммах света, исходящего от космических источников вроде квазаров, происходит то же самое, только почти всегда отсутствуют некоторые частоты, видимые в виде черных полос там, где свет отсутствует, как будто что-то отбрасывает тень. Это атомы и молекулы, с которыми свет столкнулся на своем пути.
Поскольку каждый тип атомов по-своему поглощает свет, оставляя своего рода подпись на спектрограмме, можно проследить их присутствие, особенно водорода, самого распространенного элемента во Вселенной.
Пример моделирования PRIYA. Автор: UC Riverside
«Водород полезен, потому что он похож на индикатор темной материи», — объясняет Бёрд. Темная материя — одна из величайших проблем современных исследований Вселенной: мы до сих пор не знаем, что это такое, и никогда ее не видели, но мы уверены, что она существует в большом количестве — большем, чем у обычной материи.
Бёрд и его коллеги использовали водород, чтобы косвенно отследить его. «Это все равно, что поместить краситель в поток воды: краситель будет следовать туда, куда течет вода. Темная материя притягивается, поэтому у нее есть гравитационный потенциал. В нее падает газообразный водород, и вы используете его в качестве индикатора темной материи. Где он более плотный, в нем больше темной материи. Водород можно представить как краситель, а темную материю — как воду».
Работа Берда и его коллег направлена не только на мониторинг темной материи. В современных исследованиях космоса наблюдаются так называемые «напряжения» или расхождения между наблюдениями и теоретическими предсказаниями.
Это все равно, что открыть банку очищенных помидоров и обнаружить внутри стеклянные шарики: исходя из ваших предположений о том, как устроен мир, вы ожидаете одного, но, как ни удивительно, факты противоречат вам. Ваш здравый смысл эквивалентен теоретическим моделям физики: они приводят вас к предсказаниям о содержании, но затем вы смотрите в банку и ошеломлены.
Пример моделирования PRIYA. Автор: UC Riverside
Могло случиться две вещи: у вас проблемы со зрением и это действительно помидоры, или у вас неверная база знаний (возможно, вы находитесь в чужой стране и неправильно прочитали этикетку на банке).
Нечто подобное происходит и в исследованиях физики Вселенной. «Одним из текущих противоречий является количество галактик в небольших масштабах и с низкими красными смещениями», — объясняет Бёрд. Вселенная с низким красным смещением относительно близка к нам.
«В настоящее время существуют две гипотезы, объясняющие несоответствие между наблюдениями и ожиданиями: что существует никогда ранее не наблюдавшаяся частица, о которой мы ничего не знаем, или что что-то странное происходит со сверхмассивными черными дырами внутри галактик. каким-то образом растет галактика, и это портит наши расчеты структуры».
Работа Берда и его коллег подтвердила обоснованность этого противоречия (так что на самом деле это шарики, а не помидоры). Оно также сделало нечто большее.
«Значимость этого открытия все еще довольно мала, поэтому оно пока не совсем убедительно. Но если это сохранится и в более поздних наборах данных, то гораздо более вероятно, что это будет новая частица или какой-то новый тип физики, а не черный дыры портят наши расчеты», — заключает Берд.
Результаты опубликованы в Журнале космологии и физики астрочастиц.
Больше информации: MA Fernandez et al, Cosmological constraints from the eBOSS Lyman-α forest using the PRIYA simulations, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI: 10.1088/1475-7516/2024/07/029
0 комментариев