Обсерватория в Южной Африке поможет найти темную материю в ранней Вселенной
Наземная обсерватория HERA в Южной Африке может помочь ученым обнаружить темную материю в эпоху ранней Вселенной. В рамках нового исследования, наблюдая за радиоизлучением нейтрального водорода, они попытаются обнаружить признаки распада темной материи на рубеже от 380 тыс. до 800 млн лет после Большого взрыва.
Обсерватория HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) предназначена для наблюдения водорода в эпоху ранней Вселенной. Это наземный телескоп второго поколения, расположенный в Южной Африке, который объединяет данные, получаемые широкоугольной матрицей Мерчисона (MWA) и прецизионной матрицей Дональда К. Бэкера. Система представляет собой сеть из десятков «тарелок» диаметром 14 метров. Большая площадь для сбора данных позволяет значительно повысить качество наблюдений.
Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Астрономы могут наблюдать радиоизлучение межзвездного нейтрального водорода на волне 21 см и это – один из самых эффективных способов исследования Вселенной. Такое излучение обусловлено расщеплением основного уровня энергии атома водорода на два близких подуровня.
Поскольку линия излучения имеет специфическую длину волны, она может использоваться для измерения относительного движения или космологического красного смещения водорода – то есть понижения частот излучения. Одним из первых этот метод применялся во время измерения движения водорода в Млечном Пути и других близлежащих галактиках с помощью телескопа Веры Рубин. Новое исследование международной группы ученых показывает, как 21-сантиметровая линия может помочь обнаружить частицы темной материи.
HERA позволит построить модель крупномасштабной структуры водорода в эпоху ранней Вселенной – между 380 тыс. и 550 млн лет после Большого взрыва, и в следующий период реионизации – до 800 млн лет после Большого взрыва. В этот период космос был заполнен темной материей и облаками газообразного водорода. Если темная материя действительно нейтральна и взаимодействует с материей и светом только гравитационно, то 21-сантиметровая линия водорода – это, по сути, единственный свет, который был в течение этого периода.
Самая популярная модель темной материи включает в себя гипотетические слабовзаимодействующие массивные частицы, известные как ВИМП (WIMP). Нейтральные частицы темной материи намного тяжелее частиц обычной материи – протонов и электронов. В некоторых частицах темной материи ВИМП распадаются на обычную материю, создавая всплеск позитронов и электронов, или протонов и антипротонов. В таком случае, эти энергетические частицы распада должны взаимодействовать с 21-сантиметровым излучением водорода.
Согласно наблюдениям космического микроволнового фона и других исследований, известно, что у частиц ВИМП был бы достаточно длительный период полураспада. При этом, до сих пор мы не видели никаких свидетельств распада темной материи. Это означает, что либо ВИМП-а не существует, либо их период полураспада значительно превышает возраст Вселенной.
Новое исследование показывает, что даже если бы период полураспада этих частиц был в тысячу раз больше, HERA смогла бы обнаружить его влияние на раннее 21-сантиметровое излучение за все 1000 часов наблюдений. Если же телескоп HERA не обнаружит никаких признаков распада темной материи, его наблюдения все равно станут большим шагом вперед, считают исследователи.
