Исследователи из Тель-Авивского университета впервые представили предсказания относительно того, что можно будет обнаружить, собирая радиоволны, зародившиеся в ранней Вселенной. Их результаты указывают на то, что в период «космических темных веков» темная материя формировала плотные скопления по всему пространству, притягивая водородный газ, который излучал интенсивные радиоволны. Этот новаторский подход может стать ключом к разгадке одной из величайших научных тайн – истинной природы темной материи.
Работа была проведена под руководством профессора Реннана Барканы из Школы физики и астрономии имени Саклера при Тель-Авивском университете, при участии аспиранта Судипты Сикдера и коллег из Японии, Индии и Великобритании. Открытия команды были опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Изучение «космических темных веков», периода непосредственно перед формированием первых звезд, возможно благодаря обнаружению радиоволн, излучаемых водородным газом, который когда-то заполнял Вселенную. Хотя обычные антенны легко улавливают радиоволны, сигналы из этой древней эпохи блокируются атмосферой Земли. Для их изучения требуются приборы, расположенные в космосе – предпочтительно на Луне, где отсутствие атмосферы и антропогенных помех создает идеальные условия.
Создание телескопа на лунной поверхности – это грандиозная задача, однако время для этого может быть наиболее подходящим. В мире идет активная гонка по возвращению на Луну, в которой участвуют США, Европа, Китай и Индия, планирующие новые лунные миссии. Эти агентства ищут значимые научные цели для будущих лунных проектов, и данное исследование подчеркивает потенциал лунной радиоастрономии для изучения ранней Вселенной.
Как поясняет профессор Баркана, космический телескоп NASA James Webb недавно обнаружил далекие галактики, свет от которых мы получаем из ранних этапов формирования Вселенной, примерно через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Новое исследование охватывает еще более раннюю и загадочную эру – «космические темные века», всего через 100 миллионов лет после Большого взрыва. Компьютерные симуляции предсказывают, что темная материя по всей Вселенной формировала плотные сгустки, которые позднее способствовали образованию первых звезд и галактик. Предполагаемый размер этих «зерен» зависит от неизвестных свойств темной материи, помогая их осветить, но сами сгустки напрямую невидимы. Тем не менее, эти скопления темной материи притягивали водородный газ и заставляли его излучать более сильные радиоволны. Ученые предсказывают, что совокупный эффект всех этих явлений может быть обнаружен с помощью радиоантенн, измеряющих среднюю интенсивность радиоизлучения на небе.
Эти симуляции показывают, что радиосигналы из темных веков, хотя и слабые, несут ценные подсказки о невидимых структурах, которые послужили зародышами для формирования галактик. Их обнаружение способно полностью изменить наше понимание ранних моментов существования Вселенной.
Хотя ожидаемый сигнал слаб, его успешное наблюдение может открыть новое окно для проверки теорий темной материи. Когда первые звезды появились вскоре после этого, в фазе, известной как «космический рассвет», их свет, вероятно, значительно усилил это радиоизлучение. Сигналы из той более поздней эпохи должно быть легче обнаружить с помощью наземных телескопов, хотя их интерпретация сложнее, поскольку звездообразование вносит дополнительную неопределенность.
Для решения этой задачи ученые обращаются к обширным сетям радиотелескопов, предназначенным для картирования едва уловимых вариаций космической радиоинтенсивности. Одним из крупнейших проектов является Square Kilometre Array (SKA) – глобальное сотрудничество, включающее массив из 80 000 радиоантенн, строящийся в Австралии. Профессор Баркана играет ключевую роль в этом международном проекте, целью которого является улавливание паттернов сильных и слабых радиоизлучений, способных выявить места, где когда-то существовали сгустки темной материи.
Команда считает, что их предсказания могут стать важным шагом вперед в понимании темной материи. Сегодня темная материя тесно связана с галактиками и звездами, что затрудняет изоляцию ее свойств. Напротив, ранняя Вселенная предлагает «чистую» среду – по сути, нетронутую лабораторию – для исследования поведения темной материи без помех от более поздних космических структур.
Профессор Баркана заключает: «Подобно тому, как старые радиостанции заменяются новыми технологиями, приносящими веб-сайты и подкасты, астрономы расширяют охват радиоастрономии. Когда ученые открывают новое окно для наблюдений, обычно следуют удивительные открытия. Святой Грааль физики – это обнаружить свойства темной материи, загадочного вещества, которое, как мы знаем, составляет большую часть материи во Вселенной, но природу и характеристики которого мы пока мало знаем. Понятно, что астрономы с нетерпением ждут возможности настроиться на космические радиоканалы ранней Вселенной».
