|
Загадка темной материи и первых галактик
|
|
|
|
Тайна образования первых галактик во Вселенной является загадкой для исследователей. Природа темной материи также является одной из самых важных загадок, с которыми сталкиваются фундаментальные физики. Однако понять природу темной материи — например, холодная она или теплая — и ее последующее влияние на формирование первых галактик — огромная проблема. Теперь совместная исследовательская группа из Северо-восточного университета (Китай) и Национальной астрономической обсерватории Китайской академии наук (NAOC) предложила использовать новый зонд, чтобы попытаться одновременно пролить свет на природу темной материи и раннее формирование галактик. Исследование команды было опубликовано в журнале Nature Astronomy 6 июля. Один из способов понять темную материю — попытаться измерить массу частиц темной материи с помощью космологических наблюдений за мелкомасштабными структурами.
|
|
|
|
Но обнаружить мелкомасштабные структуры, в которых никогда не происходило звездообразования, сложно, особенно во время космического рассвета. К счастью, газообразный атомарный водород внутри и вокруг этих темных небольших структур космического рассвета создает 21-сантиметровые линии поглощения вдоль лучей зрения между Землей и точечными радиоисточниками с большим красным смещением. Эти линии поглощения известны под общим названием 21-сантиметровый лес. 21-сантиметровый лесной зонд — это теоретическая концепция, которая предлагалась более 20 лет с целью определения температуры газа и, возможно, свойств темной материи во время космического рассвета. До сих пор ученые не пытались использовать зонд из-за многочисленных проблем, в том числе чрезвычайно слабых сигналов, сложности идентификации фоновых источников с большим красным смещением и вырождения между массой частиц темной материи и эффектом нагрева, что могло бы предотвратить зонд от ограничения либо массы частицы, либо нагревательного эффекта от первых галактик.
|
|
|
Однако недавно было обнаружено несколько радиогромких квазаров с большим красным смещением. Кроме того, в декабре прошлого года началось строительство массива квадратных километров (SKA) — международной инициативы по созданию крупнейшего в мире радиотелескопа. Обе эти разработки позволяют предположить, что использование 21-сантиметрового лесного зонда вскоре станет возможным. Вдохновленные анализом спектра мощности, широко используемым в космологических исследованиях, исследователи NAOC поняли, что отличительные зависимости сигналов от масштаба, вызванные эффектом теплой темной материи и эффектом нагрева, соответственно, могут быть использованы для статистического выделения ключевых особенностей, позволяющих различить два этих явления. последствия.
|
|
|
|
В этом исследовании исследователи предложили новое статистическое решение для одновременного решения проблемы слабого сигнала и проблемы вырождения путем измерения одномерного (1-D) спектра мощности 21-сантиметрового леса. Зависимость сигнала от масштаба, выявленная по амплитуде и форме одномерного спектра мощности, делает 21-сантиметровый лесной зонд жизнеспособным и эффективным средством одновременного измерения свойств темной материи и тепловой истории Вселенной. «Измеряя одномерный спектр мощности 21-сантиметрового леса, мы можем не только сделать зонд действительно осуществимым за счет повышения чувствительности, но и предоставить способ различать эффекты моделей теплой темной материи и раннего процесса нагрева», сказал Сюй Идун, автор-корреспондент исследования. «Мы сможем убить двух зайцев одним выстрелом». В сценариях, когда космический нагрев не слишком силен, низкочастотный массив SKA Phase 1 будет способен эффективно ограничивать как массу частиц темной материи, так и температуру газа.
|
|
|
|
В случаях, когда космический нагрев более значителен, использование нескольких фоновых радиоисточников во время фазы 2 SKA обеспечит надежные возможности обнаружения. 21-сантиметровый лес предлагает жизнеспособные средства для ограничения темной материи в диапазонах красных смещений, недоступных для других наблюдений. Измеряя уровень нагрева, 21-сантиметровый лес дает возможность ограничить спектральные свойства первых галактик и первых черных дыр, чтобы пролить свет на природу первых ярких объектов во Вселенной. Использование 21-сантиметрового лесного зонда послужит незаменимым средством для продвижения нашего понимания ранней Вселенной и проникновения в тайны как темной материи, так и первых галактик. Поскольку применение 21-сантиметрового лесного зонда тесно связано с наблюдениями фоновых радиоисточников с большим красным смещением, следующим шагом также будет выявление более ярких радиоисточников на космическом рассвете (таких как радиогромкие квазары и гамма-всплески). послесвечения), которые можно проследить в эпоху SKA.
|
|
|
|
Источник
|
