Смоделированное гало темной материи из космологической симуляции многих тел. Фото предоставлено: Википедия через CC BY-SA 3.0.
После почти столетия спекуляций, предложений и поисков темной материи физики теперь знают, что в настоящее время она составляет около 27% массовой энергии Вселенной, а ее содержание более чем в пять раз превышает содержание обычной материи, такой как мы, океаны и экзопланеты. .
Большая часть материи во Вселенной темная. В больших масштабах он холоден и не сталкивается ни с чем, что мы признаем. Поэтому ее называют «холодной темной материей». Было предложено множество кандидатов для объяснения крупномасштабной структуры Вселенной, но ни один из них не был доказан экспериментально.
Но в меньших масштабах темная материя может быть другой и оставлять разные следы, особенно в ранней Вселенной. Конечно, их труднее наблюдать.
Барионы, такие как протоны и нейтроны, также существовали в ранней Вселенной, и их эффекты следует отличать от существующей темной материи. оба будут мешать образованию более мелких структур.
На галактических и субгалактических расстояниях существует множество расхождений, и неизвестно, можно ли все эти расхождения объяснить с помощью барионной физики, сохраняя при этом сценарий холодной темной материи. При масштабах длины в мегапарсек или меньше и массах менее 100 миллиардов солнечных масс это оказалось непросто.
Группа под руководством Джо Верволта из Копенгагенского университета в Дании показала, что существует способ обнаружить темную материю с помощью сильно смещенной в красную сторону линии в спектре водорода первых звезд и галактик, которые сейчас расположены на самом краю планеты. вселенная. Их работа опубликована в журнале Physical Review D.
Некоторые представления 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 опосредовать взаимодействия между частицами темной материи.
Как и темная материя, темное излучение не будет взаимодействовать с другими силами Стандартной модели — слабым и сильным взаимодействием. Неизвестно, существует ли темное излучение; Кандидатом является стерильное нейтрино, если оно существует.
Темное излучение могло нагреть плотную раннюю Вселенную, поскольку горячее темное излучение взаимодействовало с темной материей и повышало ее температуру. Потепления могло быть достаточно для того, чтобы большие концентрации темной материи сформировали «ореолы темной материи», гипотетические области, где темная материя гравитационно связана и отделилась от расширения Вселенной, становясь локально связанной вместе и вместо этого сильно расширяясь как единое целое. как галактики и скопления сегодня.
Эти ореолы будут временно и неоднократно сопротивляться гравитационному коллапсу, циклам, называемым «темными акустическими колебаниями» — акустическими, потому что они представляют собой колебания плотности, точно так же, как звуковые волны — это колебания плотности воздуха или другой жидкости.
Эти циклы темной материи быстро бы прекратились, но первоначально повлияли бы на начало «космического рассвета», когда первые галактики обычной материи сформировались из первичного газа, втянутого в гало.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Фервольт и ее команда исследовали, «насколько хорошо мы можем измерить свойства темной материи, используя спектр мощности 21 см при z > 10» («z» — это параметр красного смещения, который астрономы используют, чтобы указать, насколько быстро удаляется другой объект или область). нас из-за космического расширения, эффекта Доплера, который включает в себя релятивистские скорости. Область, в которой z=10, расширяется вместе с ним. 99,8% скорости света от Земли.)
Условия вокруг космического рассвета будут влиять на свет длиной 21 см. (Свет длиной 21 см излучается, когда нейтральный атом водорода, содержащий протон и электрон, переходит из состояния, в котором обе частицы имеют спины в одном направлении, в состояние, в котором спин электрона противоположен неизменному спину протона, а так (так называемый сверхтонкий спин-флип-переход.)
Вначале должно было произойти чистое поглощение (или излучение) 21-сантиметровых фотонов космического микроволнового фона нейтральными атомами водорода в среде между галактиками.
«Таким образом, эволюцию сигнала 21 см (как глобального, так и флуктуационного) можно использовать для вывода о наличии ослабления темной материи на малых масштабах», — написали они.
Они использовали «эффективную теорию структурообразования», позволяющую определить формирование космологических структур практически в любой микрофизической модели темной материи, а также в моделях других физических процессов, чтобы связать сигнал 21 см с плотностью скорости звездообразования.
Их окончательный результат показал, что радиотелескопу HERA в Южной Африке потребуется почти полтора года, чтобы наблюдать красносмещенную 21-сантиметровую линию, чтобы определить, присутствуют ли темные акустические колебания, и различить несколько различных моделей темных моделей.
