Funkcia absorpcie svetla vodíkom obklopujúcim rané galaxie by mohla byť použitá ako nová sonda do tajomstiev temnej hmoty a toho, ako ovplyvnila vývoj vesmíru počas kozmického temného veku.
Vedci dlho predpokladali, že temná hmota, záhadná látka, ktorá tvorí asi 85 % hmoty vo vesmíre, zohrala veľkú úlohu pri vzniku raných galaxií. Ale keďže temná hmota neinteraguje so svetlom (na rozdiel od „normálnej“ hmoty, z ktorej sú hviezdy, planéty a my), jej povaha zostáva neznáma. To znamená, že presná úloha, ktorú zohrali, keď sa galaxie začali formovať, stále predstavuje medzeru v kozmologických modeloch.
Na preskúmanie tejto záhady vedci z Northeastern University v Číne a Národné astronomické observatóriá Čínskej akadémie vied (NAOC) navrhli novú sondu, ktorá by objasnila povahu tmavej hmoty a skoré formovanie galaxií.
Súvisiace: Nikdy sme nevideli temnú hmotu a temnú energiu. Prečo si myslíme, že existujú?
Jedným z možných spôsobov skúmania častíc, ktoré tvoria temnú hmotu a ich hmotnosti, je štúdium malých štruktúr vo vesmíre. Problém nastáva, keď sa o to pokúšame v období nazývanom „kozmický úsvit“, približne 380 miliónov rokov po Veľkom tresku, keď sa práve rodili prvé hviezdy. Bolo teda málo životaschopných svetelných zdrojov, ktoré by astronómom osvetlili túto starovekú éru.
Počas tejto éry však existovali atómy vo forme plynu z najľahšieho chemického prvku, vodíka. Ako všetky prvky, vodík absorbuje svetlo v rôznych vlnových dĺžkach a zanecháva stopy na svetle, ktoré ním prechádza.
Hľadanie temnej hmoty v kozmickej džungli
Atómový vodíkový plyn v malých štruktúrach a okolo nich, ktoré existovali počas kozmického úsvitu, ktorý skončil asi miliardu rokov po Veľkom tresku, vytvára zreteľné absorpčné čiary vo vzdialenosti 21 cm v rádiovom rozsahu elektromagnetického spektra. Súhrnne sa nazývajú 21 cm les, ktorý sa už viac ako 20 rokov navrhuje ako možná sonda teploty plynu a tmavej hmoty počas kozmického úsvitu.
Toto však zostalo len teoretickým konceptom, pretože svetlo z tejto éry k nám putovalo približne 13,4 miliardy rokov. Počas cesty stratil energiu, predĺžil svoju vlnovú dĺžku a znížil svoju frekvenciu, posunul ju nadol po elektromagnetickom spektre smerom k červenej oblasti a ďalej do infračervenej oblasti.
Čím je zdroj svetla ďalej, tým je proces „červeného posunu“ extrémnejší. Bez hviezdneho svetla by použitie 21-centimetrového lesa ako sondy tmavej hmoty vyžadovalo vidieť veľmi hlasné zdroje, ako sú kvazary, za kozmického úsvitu, a teda pri vysokom červenom posune. Ale signály z takýchto rádiových zdrojov tejto éry sú slabšie a je ťažké identifikovať zdroje pozadia s takým vysokým červeným posunom.
Táto situácia sa však môže čoskoro zmeniť. Nielenže bolo nedávno objavených množstvo kvazarov s vysokým červeným posunom, ale najväčší rádioteleskop na svete Square Kilometer Array (SKA) sa začal stavať v Austrálii a Južnej Afrike v decembri 2022 a čoskoro otvorí svoje citlivé rádiové oko vo vesmíre. To naznačuje, že objavenie a využitie 21-centimetrového lesa môže byť čoskoro možné.
Súvisiace: Observatórium SKA: Sprievodca po najväčších svetových rádioteleskopoch už čoskoro
Tím, ktorý stojí za novou štúdiou, verí, že meranie distribúcie energie 21-centimetrového lesa alebo jeho „energetického spektra“ by z neho urobilo rozumnú sondu na súčasné meranie vlastností tmavej hmoty a tepelnej histórie vesmíru.
To môže pomôcť výskumníkom rozlíšiť medzi modelom studenej tmavej hmoty vesmíru – modelom s masívnymi časticami tmavej hmoty, ktoré sa pohybujú pomaly v porovnaní s rýchlosťou svetla – a modelom horúcej tmavej hmoty s ľahšími a rýchlejšími časticami tmavej hmoty.
„Meraním jednorozmerného energetického spektra 21-centimetrového lesa môžeme nielen urobiť sondu skutočne uskutočniteľnou zvýšením citlivosti, ale tiež poskytnúť spôsob, ako rozlíšiť medzi účinkami modelov teplej tmavej hmoty a skorým procesom zahrievania. „povedal výskumník z Národných astronomických observatórií Yidong Xu, autor. na rozdiel od novej štúdie. „Budeme schopní zabiť dve muchy jednou ranou!“
Pokiaľ kozmické zahrievanie nebolo počas kozmického úsvitu príliš intenzívne, nízkofrekvenčné schopnosti prvej fázy procesov SKA by mali znamenať, že vedci môžu obmedziť hmotnosť častíc tmavej hmoty a teplotu plynu. Ak je kozmické zahrievanie príliš veľké, v druhom stupni SKA sa nástroj rozšíri, čo vedie k použitiu viacerých zdrojov rádiového pozadia, ktoré predstavujú rovnaké obmedzenia.
Keďže potenciálne využitie 21-centimetrového lesa ako sondy tmavej hmoty je spojené s pozorovaniami rádiových zdrojov s vysokým červeným posunom, ďalším krokom v tomto výskume je identifikovať viac zdrojov rádiového žiarenia počas kozmického úsvitu, vrátane väčšieho množstva vysokofrekvenčného rádiového žiarenia. kvazary a dosvity.lúče gama.
Tieto zdroje možno potom sledovať, keď SKA začne v roku 2027 pozorovať vesmír, čo astronómom umožní vrhnúť viac svetla do tajomstiev temnej hmoty a prvých galaxií.
Výskum tímu je prezentovaný v časopise Nature Astronomy zo 6. júla.
„Organizátor. Spisovateľ. Zlý kávičkár. Evanjelista všeobecného jedla. Celoživotný fanúšik piva. Podnikateľ.“
