Астрофизики выяснили, как найти следы «теплой» темной материи - «Наука и техника»

Добавлено 06-авг-2019, 12:38 От Милена

Следы существования альтернативных видов темной материи, взаимодействующей с частицами высокой энергии, можно будет найти в так называемом "лаймановском лесе" — излучении, которое породили самые яркие и древние звезды и галактики. Об этом пишут космологи в журнале MNRAS.

"Теория "холодной" темной материи хорошо объясняет крупномасштабную структуру Вселенной, но она имеет массу проблем на уровне карликовых галактик, которых в реальности заметно меньше, чем предсказывают ее выкладки. Эти проблемы, как и отсутствие видимых следов существования ее частиц, можно преодолеть, сделав эту субстанцию "теплой", — пишут ученые.

Сегодня почти все ученые уверены в существовании темной материи, однако ее свойства, помимо ее очевидного гравитационного влияния на галактики и скопления галактик, остаются загадкой и предметом споров среди астрофизиков и космологов. Достаточно долго космологи предполагали, что она сложена из сверхтяжелых и "холодных" частиц-"вимпов", никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.
Подобные частицы сегодня физики пытаются найти, используя гигантские подземные детекторы, заполненные абсолютно чистым ксеноном. Ядра атомов благородного газа, как предполагали раньше ученые, должны были взаимодействовать с "вимпами" особым образом, что можно было обнаружить, наблюдая за вспышками света внутри сжиженного ксенона.
За последние два десятилетия исследователи создали около дюжины подобных детекторов со все большим объемом и массой, ни один из которых не смог зафиксировать следы взаимодействий ксенона с "вимпами". Это заставляет теоретиков и практиков более внимательно относиться к альтернативным теориям, объясняющим природу темной материи.
Торстен Брингмэн (Thorsten Bringmann) из университета Осло (Норвегия) и его коллеги задумались о том, как будет проявлять эта загадочная субстанция в рамках одной из подобных альтернатив, теории так называемой "теплой" темной материи.
В целом, она мало в чем отличается от ее "холодной" кузины, за исключением того, что ее частицы будут взаимодействовать с другими формами материи, разогретыми до сверхвысоких температур или разогнанными до околосветовых скоростей.
Эта их особенность, как предполагают сторонники этой теории, играла важную роль в первые мгновения жизни Вселенной, когда ее материя еще оставалась горячей, особым образом изменив то, как она была распределена по скоплениям галактика и пустотам между ними. Возникает вопрос, как сохранились ли следы эти процессов до наших дней и как их можно уловить.
Брингмэн и его коллеги выяснили, что их действительно можно обнаружить, если наблюдать за так называемым "лесом Лаймана", ультрафиолетовым излучением древнейших и крупнейших галактик мироздания.
Его фотоны представляют собой высокоэнергетические частицы света, которые излучал водород, находившийся в недрах самых ярких и горячих звезд из первых дней жизни Вселенной. Все подобные частицы сконцентрированы на узком участке ультафиолетовой части спектра, из-за чего эта область называется "серией" или "лесом" Лаймана.
Эта особенность, как отмечают Брингмэн и его коллеги, позволяет астрономам вычислять расстояния до самых далеких галактик и светил, а также составить карту их распределения по мирозданию, опираясь на то, как сильно сместился этот "лес", а также для оценки того, как данное излучение взаимодействовало с любыми формами материи.
В случае с "теплой" темной материей, по словам теоретиков, это будет проявляться в том, что спектр самого древнего лаймановского излучения сохранит в себе следы так называемых "темных" акустических осцилляций. Так ученые называют своеобразное "эхо" взаимодействий частиц темной материи и скоплений видимой материи в первые мгновения жизни Вселенной, отразившиеся на том, как была распределена первая по всему мирозданию.
Следы этих колебаний, как показывают расчеты исследователей, будут почти незаметны в лаймановском излучении относительно близких к нам галактик, но при этом они будут достаточно сильно проявлять себя в свечении самых первых светил и скоплений звезд Вселенной.
В частности, оно будет слабее, чем предсказывает классическая теория темной материи, и при этом будет иметь несколько иной спектр из-за того, что ее видимая "кузина" будет распределена по мирозданию менее упорядоченным образом.
Как надеются исследователи, "перепись" древних галактик поможет им проверить, так ли это на самом деле, и подтвердить эту теорию или сузить число возможных кандидатов на роль самой загадочной субстанции Вселенной.

•••