Наблюдение за темной материей на космической заре

Симулированное гало темной материи из многочастичной космологической симуляции. Автор: Wikipedia via CC BY-SA 3.0

После почти столетия предположений, предположений и поисков темной материи физики теперь знают, что в настоящее время она составляет около 27% массы-энергии Вселенной, а ее распространенность более чем в пять раз превышает распространенность 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 распознаем, поэтому ее называют «холодной темной материей». Было предложено много кандидатов, которые могли бы объяснить крупномасштабную структуру вселенной, но ни один из них не был подтвержден экспериментально.

Но в меньших масштабах темная материя может быть иной и может оставлять иные следы, особенно в ранней Вселенной. Конечно, их сложнее наблюдать.

Барионы, такие как протоны и нейтроны, также присутствовали в ранней Вселенной, и их влияние следует отличать от любой присутствовавшей темной материи; оба они влияли на формирование более мелких структур.

Существует множество расхождений на галактических и субгалактических расстояниях, и неизвестно, можно ли объяснить все эти расхождения физикой барионов, сохраняя сценарий холодной темной материи. На масштабах длины в один мегапарсек или меньше и массовых масштабах меньше 100 миллиардов солнечных масс это оказалось нелегко сделать.

Группа под руководством Джо Фервольта из Копенгагенского университета в Дании теперь показала, что существует способ, который может раскрыть темную материю, используя сильно смещенную в красную область линию в спектре водорода, 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 будет посредником во взаимодействиях между частицами темной материи.

Как и темная материя, темное излучение не взаимодействует с другими силами Стандартной модели, слабым и сильным взаимодействием. Неизвестно, существует ли темное излучение; одним из кандидатов является стерильное нейтрино, если оно существует.

Темная радиация могла нагреть плотную раннюю вселенную, поскольку горячее темное излучение взаимодействовало с темной материей, повышая ее температуру. Потепление могло быть достаточным для того, чтобы большие концентрации темной материи образовали «гало темной материи», гипотетические области, в которых темная материя гравитационно связана и отделилась от расширения вселенной, связавшись локально и вместо этого расширяясь как целое, во многом подобно галактикам и скоплениям сегодня.

Эти гало будут временно и многократно сопротивляться гравитационному коллапсу, циклы которого называются «темными акустическими колебаниями» — акустическими, потому что они представляют собой колебания плотности, так же как звуковые волны представляют собой колебания плотности воздуха или какой-либо другой жидкости.

Эти циклы темной материи быстро бы прекратились, но сначала повлияли бы на начало «космического рассвета», когда из первичного газа, втянутого в гало, образовались первые галактики из обычной материи.

Условия, близкие к космическому рассвету, могут повлиять на свет 21 см. (Свет 21 см испускается, когда нейтральный атом водорода с одним протоном и одним электроном переходит из состояния, в котором обе частицы имеют спины в одном направлении, в состояние, в котором спин электрона противоположен неизмененному спину протона, так называемый сверхтонкий спин-флип-переход.)

На раннем этапе будет наблюдаться чистое поглощение (или испускание) 21-сантиметровых фотонов из реликтового излучения нейтральными атомами водорода в среде между галактиками.

«Таким образом, эволюция сигнала на длине волны 21 см (как глобальная, так и флуктуационная) может быть использована для вывода о наличии затухания темной материи в малых масштабах», — пишут они.

Они использовали «эффективную теорию формирования структур», которая позволяет определить формирование космологической структуры практически в любой микрофизической модели темной материи, а также модели других физических процессов, чтобы связать сигнал на длине волны 21 см с плотностью скорости звездообразования.

В результате выяснилось, что радиотелескопу HERA в Южной Африке потребуется почти полтора года наблюдений за смещенной в красную область 21-сантиметровой линией, чтобы определить, существуют ли темные акустические колебания, и различить несколько различных моделей темной волны.

Больше информации: Jo Verwohlt et al, Separating dark acoustic oscillations from astrophysics at cosmic dawn, Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.110.103533. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.17640