Світ перших зірок може змінити наше уявлення про темної матерії

Великий Вибух, можливо, був яскравим і драматичним, але відразу ж після цього Всесвіт померкла, і дуже надовго. Вчені вважають, що перші зірки з’явилися в каламутному бульйоні матерії через 200 мільйонів років після спекотного початку. Оскільки сучасні телескопи недостатньо чутливі, щоб спостерігати світло цих зірок безпосередньо, астрономи шукають непрямі докази їх існування.

І ось групі вчених вдалося вловити слабкий сигнал цих зірок з допомогою радіоантени розміром з кришку столу під назвою EDGES. Вражаючі вимірювання, які відкривають нове вікно в ранню всесвіт, показують, що ці зірки з’явилися через 180 мільйонів років після Великого Вибуху. Опублікована в Nature робота також передбачає, що вчені можуть переосмислити, з чого складається темна матерія» — загадковий тип невидимого речовини.

Моделі показали, що перші зірки, які підсвітили всесвіт, були синіми і недовговічними. Вони завантажили всесвіт у ванну ультрафіолетового світла. Самий перший спостережуваний сигнал цього космічного світанку довгий час вважався «сигналом поглинання» — падінням яскравості на певній довжині хвилі — викликаних проходженням світла і впливає на фізичні властивості хмар газоподібного водню, найпоширенішого елемента у всесвіті.

Ми знаємо, що це падіння має бути виявлено в радіохвильової частини електромагнітного спектра на довжині хвилі 21 див.

Складне вимірювання

На початку була теорія, яка все це передбачила. Але на практиці знайти такий сигнал виявляється надзвичайно складно. Все тому, що він переплітається з безліччю інших сигналів в цій області спектра, які набагато сильніше — наприклад, поширені частоти радіомовлення і радіохвиль від інших подій в нашій галактиці. Причина, по якій вчені досягли успіху, складалася частково в тому, що експеримент був оснащений чутливим приймачем і невеликий антеною, що дозволяє покривати більшу площу неба відносно легко.

Щоб бути впевненими, що будь-яке падіння яскравості, яку вони виявили, обумовлено зоряним світлом ранньої всесвіту, вчені дивилися на зсув Доплера. Вам цей ефект знайомий з пониження висоти тону, коли повз вас проїжджає машина з мигалкою і сиреною. Аналогічним чином, оскільки галактики віддаляються від нас з-за розширення всесвіту, світло зміщується в бік червоних довжин хвиль. Астрономи називають цей ефект «червоним зміщенням».

Червоне зміщення розповідає вченим, як далеко хмара газу знаходиться від Землі і як давно за космічними мірками був іспущен світло з нього. У цьому випадку будь-яке зміщення в яскравості, очікуване на 21-сантиметрової довжини хвилі, вкаже на рух газу і віддаленість його місцезнаходження. Вчені виміряли падіння яскравості, яке відбувалося в різні космічні періоди часу, до моменту, коли всесвіту було всього 180 мільйонів років, і порівняли з її теперішнім станом. Це був світ найперших зірок.

Здрастуй, темна матерія

На цьому історія не закінчується. Вчені здивувалися, виявивши, що амплітуда сигналу була в два рази більше, ніж прогнозувалося. Це говорить про те, що газоподібний водень був набагато холодніше, ніж очікувалося від мікрохвильового фону.

Ці результати були опубліковані в іншій статті в Nature і закинули гачок з блешнею для фізиків-теоретиків. Все тому, що з фізики стає ясно, що в цей час існування всесвіту газ було легко нагріти, але складно остудити. Щоб пояснити додаткове охолодження, пов’язане з сигналом, газ повинен був взаємодіяти з чимось ще більш холодним. І єдине, що було холодніше космічного газу в ранній всесвіту, це темна матерія. Теоретики повинні зараз вирішити, чи зможуть вони розширити стандартну модель космології і фізики частинок, щоб пояснити це явище.

Нам відомо, що темної матерії в п’ять разів більше, ніж звичайній, але ми не знаємо, з чого вона складається. Було запропоновано кілька варіантів частинок, які могли б скласти темну матерію, і фаворитом серед них є слабо взаємодіюча масивна частинка (WIMP).

Нове дослідження, однак, передбачає, що частка темної матерії не повинна бути набагато важче протона (який входить в атомне ядро разом з нейтроном). Це значно нижче мас, передбачених для WIMP. Аналіз також передбачає, що темна матерія холодніше, ніж очікувалося, і відкриває захоплюючу можливість використовувати «21-сантиметрову космологію» в якості зонда темної матерії у всесвіті. Подальші відкриття з більш чутливими приймачами і меншими перешкодами від земної радіо можуть розкрити більше деталей про природу темної матерії і, можливо, навіть позначити швидкість, з якою вона рухається.