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.
Сложное измерение
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.
Здравствуй, темная материя
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.
Источник
Сколько материи во Вселенной на самом деле?
Из чего состоит Вселенная? Ответ на этот вопрос ученые ищут на протяжении десятилетий, но лишь недавно им удалось немного приблизиться к разгадке. Как это ни странно, но 2020 год оказался богат на научные открытия – так, в сентябре астрофизики обнаружили что материя составляет около 31% от общего количества материи и энергии в нашей Вселенной. Остальные же 69%, по мнению ученых, составляет темная энергия – таинственная сила, которая, как считается, ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной. Следом, в ноябре, в свет вышла работа команды исследователей из Национального центра научных исследований Франции (CNRS), согласно которой 40% видимой материи во Вселенной (о существовании которой раньше мы не знали) скрыто в диффузных нитях гигантской, соединяющей галактики космической паутины. Рассказываем, что известно современной науке о составе Вселенной.
Французские исследователи предполагают, что так как нити космической паутины рассеяны, а сигналы, которые они испускают, слабы, 40% материи Вселенной оставалось незамеченным на протяжении 20 лет.
Барионы – частицы, состоящие из трех кварков, таких как протоны и нейтроны. Они составляют атомы и молекулы, а также все структуры, которые можно увидеть в наблюдаемой Вселенной (звезды, галактики, скопления галактик и т. д.).
Из чего состоит наша Вселенная?
Считается, что Вселенная состоит из трех типов вещества: нормальной материи, «темной материи» и «темной энергии». Нормальная материя состоит из атомов, из них же состоят звезды, планеты, люди и все другие видимые объекты в нашей Вселенной. Как ни унизительно это звучит, но нормальная материя почти наверняка составляет наименьшую долю Вселенной, где-то между 1% и 10%. Согласно популярной в настоящее время модели Вселенной 70% материи приходится на темную энергию, 25% – на темную материю и 5% – на нормальную материю.
Однако результаты нового исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics предполагают, что около 40% всей видимой материи Вселенной – той, что составляет все что мы можем видеть и осязать – обнаружено впервые. Команда ученых из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) считает, что наконец-то обнаружила ее – скрытую в галактических нитях космической паутины.
Сегодня наших знаний о Вселенной недостаточно для того, чтобы с уверенностью сказать из чего она состоит.
Хотите всегда быть в курсе последних научных открытий в области космологии и астрофизики, подписывайтесь на наш канал в Google News чтобы не пропустить ничего интересного.
Сколько во Вселенной материи?
Астрофизики считают, что около 40% обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и галактики, оставалось незамеченной (на протяжении 20 лет), скрытой в виде горячего газа в сетях космической паутины. Напомним, что космическая паутина состоит из галактик, распределенных по всей Вселенной в виде сложной сети узлов, соединенных нитями, которые, в свою очередь, разделены пустотами. Подробнее о том, что такое галактические нити и космическая паутина, читайте в нашем материале.
Считается, что нити космической паутины содержат почти всю обычную (так называемую барионную) материю Вселенной в виде рассеянного горячего газа. Однако сигнал, испускаемый этим диффузным газом, настолько слаб, что в действительности от 40% до 50% барионов остаются незамеченными.
Это недостающие барионы, скрытые в нитевидной структуре космической паутины и пытались обнаружить французские исследователи. Они провели статистический анализ, в ходе которого им впервые удалось выявить рентгеновское излучение горячих барионов в галактических нитях. Команда использовала пространственную корреляцию между положением нитей и связанным с ними рентгеновским излучением, чтобы предоставить доказательства присутствия горячего газа в космической паутине и впервые измерить его температуру.
Космическая паутина – это гигантское скопление галактик, соединенное между собой пустотами.
Полученные результаты подтверждают более ранние выводы той же исследовательской группы, основанные на косвенном обнаружении горячего газа в космической паутине путем его влияния на космическое фоновое микроволновое излучение (реликтовое излучение). Это открытие может проложить путь к более детальным исследованиям, использующим более качественные данные, чтобы проверить эволюцию газа в нитевидной структуре космической паутины. В общем, работы у ученых еще очень и очень много.
Возможно, мы так и не сможем разгадать все тайны Вселенной.
Кстати, недавно с помощью рентгеновской обсерватории Европейского космического агенства (ESA) XMM-Newton, астрономы показали, что скопления галактик в далекой Вселенной не похожи на те, что мы видим сегодня. Похоже, они испускают больше рентгеновских лучей, чем предполагали ученые. Оказалось, что эти скопления галактик изменили свой внешний вид со временем, а согласно расчетам, в прошлом скоплений галактик во Вселенной было меньше. Но о чем это говорит?
Исследователи считают, что в таком случае Вселенная должна быть средой высокой плотности, что противоречит современным представлениям. Этот вывод весьма спорен, потому что для объяснения этих результатов во Вселенной должно быть много материи – а это, в результате, оставляет мало места для темной энергии. Однако результаты французских исследователей показали, что эти выводы не такие уж и противоречивые. В конце-концов, если мы не могли разглядеть барионную материю в галактических нитях на протяжении 20 лет, кто знает, сколько еще материи Вселенной мы пока не видим?
Источник
Существуют ли звезды… из темной материи?
Подумайте обо всем, что существует во Вселенной. Гигантские космические печи вроде нашего Солнца. Газовые гиганты, рядом с которыми наша планета будет просто карликом. Строки астероидов, мчащихся через пустое пространство. Далекие звезды за тысячи световых лет от нас. Все это составляет меньше 5% массы Вселенной. Где остальное? Это пока загадка. Наша гигантская Вселенная могла сформироваться при помощи частиц темной материи, которых мы даже не имели возможности наблюдать. Ученые пытаются доказать их существование, а вместе с ними и существование «темных звезд».
Существует один элемент, который может составлять целых 25% Вселенной. Мы не можем его почувствовать или увидеть. Он не взаимодействует со светом. Он даже не состоит из привычных нам строительных блоков — электронов и протонов внутри атомов, из которых состоит вся материя.
Это «темная материя», и ученые пытаются понять, чем она является, десятки лет. Астрофизик-теоретик Кэтрин Фриз — одна из тех, кто охотится на эти загадочные кирпичики бытия. Тридцать лет назад ее теория о невидимом клее, который помог сформироваться Вселенной, привела к строительству подземных ускорителей частиц по всей Земле, вроде машин в ЦЕРН. Что же они ищут? Эти частицы называются вимпами (WIMP), и, по мнению Фриз, звезды, состоящие из этого призрачного материала, могли помочь космосу образоваться миллиарды лет назад.
Вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы) — это большие частицы, не взаимодействующие с электромагнитными силами. Это делает их «темными» — их нельзя наблюдать, используя электромагнитные сенсоры, при помощи которых люди осматривали Вселенную последние сто лет.
Но благодаря теории суперсимметрии — из которой следует, что у каждой известной частицы есть «антивещественный» эквивалент, — в нашем текущем атласе частиц появилась брешь, и вимпы могут превосходно эту брешь заполнить. Они повсюду, но не оставляют никаких следов, потому что неохотно взаимодействуют с обычными частицами, окружающими их.
«Что ж, если мы возьмем все объекты в нашей повседневной жизни — ваше тело, стул, на котором оно сидит, воздух, которым дышит, стены вокруг нас, добавим планеты, добавим звезды — все это состоит из атомов, которые мы понимаем, но вся эта атомная материя составляет лишь 5% нашей Вселенной — пять процентов! Поэтому есть еще 95%, которые мы должны понять. И вот здесь появляются темная материя и темная энергия. Когда они проходят через вас — миллиарды частиц каждую секунду — вы этого не замечаете, потому что слабое взаимодействие реально слабое, ничего не происходит».
Как же найти то, что у вас нет никакой возможности увидеть?
«Хорошая аналогия для темной материи — это ветер. Мы его не видим, он невидимый, и все же мы уверены, что он существует, потому что листья шуршат. То же самое обстоит и с темной материей. Мы видим, что она стягивает вещи… это материя, а значит, она чувствует гравитацию. Она сбивается в кучу и стягивает вещи. Мы знаем, что она существует, по этой причине, но не знаем, из чего состоит».
Если вимпы существуют — а Фриз уверена, что да, — они должны были появиться вскоре после Большого Взрыва.
Фриз исследовала эту теорию с коллегами-астрофизиками Паоло Гондоло из Университета штата Юта и Дугом Сполиаром из Университета Стокгольма в Швеции. Они искали первые «темные звезды», которые сформировались в ранние дни Вселенной.
Несмотря на свое название, эти древние звезды были ослепительны — они жили аннигиляцией темной материи. И некоторые из них могли бы жить в дальних уголках Вселенной, ослепительно сияя.
«Темные звезды начинали с таких же масс, что и Солнце, но могли расти больше и больше, пока не становились массой в миллионы солнц и в миллиарды раз ярче».
«Следующий большой телескоп, космический телескоп Джеймса Уэбба, продолжение знаменитого космического телескопа Хаббла, сможет найти темные звезды. Сделав это, мы не только найдем совершенно новый тип звезд, что уже само по себе удивительно, но и докажем, что они живут за счет вимпов. Так что проблема решится сама по себе».
И это может означать конец для одной из самых сложных задач в современной науке. Ученые пытались решить проблему темной материи с 1930-х годов, но намеки на ее существование появились задолго до этого.
«Когда люди изучали движение Солнца и планет вокруг, они поняли, что центральные планеты движутся довольно быстро, но чем дальше от центра, тем медленнее движение», говорит Фриз.
«Поэтому они подумали: хорошо, это законы Ньютона, мы их знаем, это законы природы, давайте посмотрим на структуры побольше — на галактики и скопления галактик».
«Но они нашли не это: они обнаружили, что по мере продвижения от центра галактики все движется с одинаковой скоростью. Это было довольно странно».
«То есть сначала темная материя собралась воедино, а затем обычные атомы, нейтроны и протоны и так далее, вместе с темной материей сформировали протогалактики, которые привели к появлению галактик, планет и звезд. Но для начала образования этой структуры необходима темная материя».
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Открытие новой экзопланеты сегодня больше не является важной новостью. С момента обнаружения первой планеты вне Солнечной системы прошло уже практически 25 л…
Возможно, крупнейшее открытие о Вселенной мы сделали в конце прошлого века, обнаружив одну из самых странных космических истин: далекие галактики не просто у…
Может показаться, что спутники на орбите Земли — это самое простое, привычное и родное, что есть в этом мире. В конце концов, Луна висит на небе уже более че…
Источник