Свет первых звезд может изменить наше представление о темной материи

Большой Взрыв, возможно, был ярким и драматичным, но сразу же после этого Вселенная померкла, и очень надолго. Ученые считают, что первые звезды появились в мутном бульоне материи спустя 200 миллионов лет после жаркого начала. Поскольку современные телескопы недостаточно чувствительны, чтобы наблюдать свет этих звезд напрямую, астрономы ищут косвенные доказательства их существования.

И вот группе ученых удалось уловить слабый сигнал этих звезд с помощью радиоантенны размером с крышку стола под названием EDGES. Впечатляющие измерения, которые открывают новое окно в раннюю вселенную, показывают, что эти звезды появились через 180 миллионов лет после Большого Взрыва. Опубликованная в Nature работа также предполагает, что ученые могут переосмыслить, из чего состоит «темная материя» — загадочный тип невидимого вещества.

Модели показали, что первые звезды, которые подсветили вселенную, были синими и недолговечными. Они погрузили вселенную в ванну ультрафиолетового света. Самый первый наблюдаемый сигнал этого космического рассвета долгое время считался «сигналом поглощения» — падением яркости на определенной длине волны — вызванным прохождением света и влияющим на физические свойства облаков газообразного водорода, самого распространенного элемента во вселенной.

Мы знаем, что это падение должно быть обнаружено в радиоволновой части электромагнитного спектра на длине волны 21 см.

В начале была теория, которая все это предсказала. Но на практике найти такой сигнал оказывается чрезвычайно сложно. Все потому, что он переплетается со множеством других сигналов в этой области спектра, которые намного сильнее — например, распространенные частоты радиовещания и радиоволн от других событий в нашей галактике. Причина, по которой ученые преуспели, состояла отчасти в том, что эксперимент был оснащен чувствительным приемником и небольшой антенной, что позволяет покрывать большую площадь неба относительно легко.

Чтобы быть уверенными, что любое падение яркости, которое они обнаружили, обусловлено звездным светом ранней вселенной, ученые смотрели на смещение Доплера. Вам этот эффект знаком по понижению высоты тона, когда мимо вас проезжает машина с мигалкой и сиреной. Аналогичным образом, поскольку галактики удаляются от нас из-за расширения вселенной, свет смещается в сторону красных длин волн. Астрономы называют этот эффект «красным смещением».

Красное смещение рассказывает ученым, как далеко облако газа находится от Земли и как давно по космическим меркам был испущен свет из него. В этом случае любое смещение в яркости, ожидаемое на 21-сантиметровой длине волны, укажет на движение газа и удаленность его местонахождения. Ученые измерили падение яркости, которое происходило в разные космические периоды времени, до момента, когда вселенной было всего 180 миллионов лет, и сравнили с ее нынешним состоянием. Это был свет самых первых звезд.

На этом история не заканчивается. Ученые удивились, обнаружив, что амплитуда сигнала была в два раза больше, чем прогнозировалось. Это говорит о том, что газообразный водород был намного холоднее, чем ожидалось от микроволнового фона.

Эти результаты были опубликованы в другой статье в Nature и забросили крючок с блесной для физиков-теоретиков. Все потому, что из физики становится ясно, что в это время существования вселенной газ было легко нагреть, но сложно остудить. Чтобы объяснить дополнительное остывание, связанное с сигналом, газ должен был взаимодействовать с чем-то еще более холодным. И единственное, что было холоднее космического газа в ранней вселенной, это темная материя. Теоретики должны теперь решить, смогут ли они расширить стандартную модель космологии и физики частиц, чтобы объяснить это явление.

Нам известно, что темной материи в пять раз больше, чем обычной, но мы не знаем, из чего она состоит. Было предложено несколько вариантов частиц, которые могли бы составить темную материю, и фаворитом среди них является слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP).

Новое исследование, однако, предполагает, что частица темной материи не должна быть намного тяжелее протона (который входит в атомное ядро вместе с нейтроном). Это значительно ниже масс, предсказанных для WIMP. Анализ также предполагает, что темная материя холоднее, чем ожидалось, и открывает увлекательную возможность использовать «21-сантиметровую космологию» в качестве зонда темной материи во вселенной. Дальнейшие открытия с более чувствительными приемниками и меньшими помехами от земного радио могут раскрыть больше деталей о природе темной материи и, возможно, даже обозначить скорость, с которой она движется.