Лунные миссии помогут раскрыть тайну тёмной материи с помощью симуляций

Рис. 1. Визуализация газовых структур в холодном (слева) и тёплом (справа) сценариях тёмной материи. Цвет соответствует температуре газа. Автор: Park et al

Международная группа исследователей использовала передовые компьютерные симуляции, чтобы показать, как слабые радиосигналы из ранней Вселенной, которые скоро будут регистрироваться с обратной стороны Луны, могут раскрыть фундаментальные свойства тёмной материи.

Обычная материя, из которой состоят звёзды, планеты и всё видимое, составляет лишь около 20% всей материи во Вселенной. Остальные 80% — тёмная материя: загадочная субстанция, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет. Её истинная природа остаётся одной из величайших нерешённых проблем современной физики.

Ключевое свойство тёмной материи — масса её частиц. Если частицы относительно лёгкие (менее 5% массы электрона), тёмная материя считается «тёплой» и подавляет формирование структур меньше галактик. Если частицы тяжелее — тёмная материя «холодная» и способствует росту структур меньшего масштаба.

Новое исследование, опубликованное в Nature Astronomy, сосредоточилось на небольших газовых облаках, существовавших во время космических «Тёмных веков» — первых 100 миллионов лет после Большого взрыва, до формирования звёзд и галактик.

Симуляции показали, как газ постепенно охлаждался по мере расширения Вселенной, образуя сгустки под гравитационным влиянием тёмной материи. Вариации плотности и температуры оставили отпечаток в 21-сантиметровом радиоизлучении атомов водорода.

Рис. 2. Ожидаемый усреднённый сигнал водорода 21 см от ~100 млн лет после Большого взрыва. Автор: Park et al

Команда смоделировала этот древний сигнал и обнаружила, что его средняя сила на небе чувствительно зависит от того, является ли тёмная материя тёплой или холодной. Это различие может позволить будущим лунным экспериментам различить конкурирующие сценарии.

Сигнал Тёмных веков ожидается на частотах около 50 МГц и ниже, но на Земле эти частоты сильно загрязнены техногенными сигналами и ионосферой. Обратная сторона Луны предлагает радиотихую среду, защищённую от земных помех, что делает её идеальным местом для обнаружения этого неуловимого сигнала.

Рис. 3. Схема мотивации для космических радио наблюдений с обратной стороны Луны. Автор: Hyunbae Park и др.

Хотя строительство радиообсерваторий на Луне представляет серьёзные технологические и финансовые трудности, всё больше стран рассматривают такие миссии как часть новой космической гонки. Среди них Япония активно развивает проект Tsukuyomi с развёртыванием радиоантенн на Луне.

Исследование команды предоставляет важное теоретическое руководство для этих будущих миссий, чтобы максимизировать их научную отдачу.

Источник: Hyunbae Park et al, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02637-0