Найбільший у світі інтерферометричний радіотелескоп SKA (Square Kilometre Array) почав будуватися в Австралії та Південній Африці в грудні 2022 і за кілька років вже має відкрити своє чутливе радіооко. Він допоможе у розкритті таємниць темної матерії та формування перших галактик за допомогою нового способу, який запропонували науковці.
Вчені давно припускають, що загадкова темна матерія відігравала величезну роль у формуванні ранніх галактик, але оскільки вона не взаємодіє зі світлом, її природа залишається невідомою. Тому її точна роль у формуванні галактик залишається прогалиною. Для дослідження цієї загадки китайські вчені запропонували новий спосіб, який проллє світло на природу темної матерії та на раннє формування галактик.
Одним із можливих способів дослідження частинок, які складають темну матерію, та їхньої маси було вивчення дрібномасштабних структур у Всесвіті. Проблема виникає при спробі зробити це в період, який називають “космічним світанком”, приблизно через 380 млн років після Великого вибуху, коли перші зірки тільки народжувалися.
У астрономів було небагато життєздатних джерел світла, які могли б висвітлити цю епоху, але тоді існували атоми водню, а, як і всі елементи, водень поглинає світло на характерних довжинах хвиль, залишаючи свій відбиток на світлі, що проходить крізь нього. Атомарний водень створює характерні радіолінії на довжині хвилі 21 сантиметр в радіодіапазоні електромагнітного спектра і пропонується як потенційний спосіб перевірки температури газу і темної матерії в ту епоху.
Це поки теоретична концепція, адже світло з цієї ери подорожувало близько 13,4 млрд років, щоб дістатися до нас. Дорогою воно втратило енергію, його довжина хвилі розтягнулася, а частота знизилася, перемістивши його вниз по електромагнітному спектру в червону область і далі в інфрачервону. Чим віддаленіше джерело світла, тим екстремальнішим є “червоне зміщення”. За відсутності зоряного світла використання радіолінії водню вимагає потужних джерел, як-от квазари.
Сигнали від таких радіоджерел в цю епоху слабкі, і ці фонові джерела з високим червоним зміщенням важко ідентифікувати, але це скоро зміниться. Нещодавно було відкрито низку радіогучних квазарів з високим червоним зміщенням, а також повним ходом триває будівництво SKA. Найбільший радіотелескоп матиме достатньо потужності для таких досліджень. Автори роботи вважають, що ці вимірювання можуть допомогти у перевірці властивостей темної матерії та теплової історії Всесвіту.
Наприклад, вони допоможуть розрізнити модель Всесвіту з холодною темною матерією – з масивними частинками темної матерії, що рухаються повільно порівняно зі швидкістю світла, – і модель з гарячою темною матерією, з легшими та швидшими частинками темної матерії, що рухаються швидше.
Поки космічне нагрівання не було надто екстремальним під час космічного світанку, низькочастотні можливості першої фази роботи SKA повинні означати, що вчені можуть обмежити масу частинок темної матерії та температуру газу. Якщо космічне нагрівання буде надто сильним, то на другому етапі роботи SKA інструмент буде збільшено, що призведе до використання кількох фонових радіоджерел, які забезпечать ті ж самі обмеження.
Оскільки потенційне використання 21-сантиметрової радіолінії водню як способу перевірки властивостей темної матерії пов’язане зі спостереженнями фонових радіоджерел з високим червоним зміщенням, наступним кроком у цьому дослідженні є виявлення яскравіших радіоджерел, включно з радіогучними квазарами та післясвітінням гамма-спалахів. Ці джерела можна буде відстежувати після того, як SKA почне спостереження за Всесвітом у 2027 році.
Читайте також: