Світло перших зірок може змінити наше уявлення про темну матерію

Великий Вибух, можливо, був яскравим і драматичним, але відразу ж після цього Всесвіт потускнів, і дуже надовго. Науковці 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 науковців вдалося вловити слабкий сигнал цих зірок за допомогою радіоантени розміром як кришка столу під назвою EDGES. Вражаючі вимірювання, які відкривають нове вікно в ранній всесвіт, показують, що ці зірки з’явилися через 180 мільйонів років після Великого Вибуху. Опублікована в Nature робота також передбачає, що науковці 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. Найперший спостережуваний сигнал цього космічного світанку довгий час вважався «сигналом поглинання» – падінням яскравості на певній довжині хвилі – викликаним проходженням світла і впливає на фізичні властивості хмар газоподібного водню, найпоширенішого елемента у Всесвіті.

Ми знаємо, що це падіння повинно бути виявлено в радіохвильовій частині електромагнітного спектра на довжині хвилі 21 см.

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 сильніші – наприклад, поширені частоти радіомовлення і радіохвиль від інших подій в нашій галактиці. Причина, по якій науковці досягли успіху, полягала частково в тому, що експеримент був оснащений чутливим приймачем і невеликою антеною, яка дозволяє покривати більшу площу неба відносно легко.

Щоб бути впевненими, що будь-яке падіння яскравості, яке вони виявили, обумовлено зоряним світлом раннього всесвіту, науковці дивилися на зміщення Доплера. Вам цей ефект знайомий по зниженню висоти тону, коли повз вас проїжджає машина з мигалкою і сиреною. Аналогічним чином, оскільки галактики віддаляються від нас через 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 було видано світло з нього. У цьому випадку будь-яке зміщення в яскравості, очікуване на 21-сантиметровій довжині хвилі, вкаже на рух газу і віддаленість його місцезнаходження. Науковці виміряли падіння яскравості, яке відбувалося в різні космічні періоди часу, до моменту, коли всесвіту було всього 180 мільйонів років, і порівняли з її нинішнім станом. Це було світло найперших зірок.

Темна матерія

На цьому історія не закінчується. Науковці здивувалися, виявивши, що амплітуда сигналу була в два рази більше, ніж прогнозувалося. Це говорить про те, що газоподібний водень був набагато холодніший, 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 ранньому всесвіту, це темна матерія. Теоретики повинні тепер 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 звичайної, 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 взаємодієюча масивна частка (WIMP).

Нове дослідження, однак, передбачає, що частинка темної матерії не повинна бути набагато важчою 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 земного радіо можуть розкрити більше деталей про природу темної матерії і, можливо, навіть позначити швидкість, з якою вона рухається.