8 Minutės
Klausantis Visatos tamsiosios eros
Klausydamiesi vaiduokliškų radijo aidų iš ankstyvosios Visatos, mokslininkai mano, kad būsimos Mėnulio misijos gali nustatyti, kokia iš tikrųjų yra tamsioji materija. Šie menki kosminės Tamsiosios eros signalai gali netrukus padėti išspręsti vieną didžiausių fizikos mįslių.
Po rekombinacijos įvykusio ankstyviausio laikotarpio — dažnai vadinamo kosmine Tamsiąja era — pirmosios žvaigždės ir galaktikos dar nebuvo susiformavusios. Šiuo metu neutrali vandenilis užpildė Visatą ir sukūrė silpną radijo parašą 21 centimetrų bangos ilgyje. Tarptautinė tyrėjų komanda modeliavo, kaip smulkūs tankio ir temperatūros svyravimai tame primordialiniame vandenilyje palieka subtilų 21 cm radijo signalą, kuris jautriai priklauso nuo tamsiosios materijos savybių. Jų rezultatai, paskelbti žurnale Nature Astronomy 2025 m. rugsėjo 16 d., rodo, kad radijo observatorijos, įrengtos Mėnulio užnugaryje, galėtų aptikti skirtumus tarp konkuruojančių tamsiosios materijos modelių.
Mokslinis kontekstas: tamsioji materija ir 21 cm stebėjimai
Įprasta, barioninė materija — atomai, iš kurių sudarytos žvaigždės, planetos ir gyvi organizmai — sudaro tik apie 20 procentų Visatos materijos. Likusi ~80 procentų yra tamsioji materija: nespindinti komponentė, egzistavimo spėjama pagal jos gravitacinį poveikį galaktikoms, galaktikų spiečiams ir didelio masto struktūros plėtrai. Tamsioji materija neišskiria, nei reikšmingai nescatferizuoja šviesos žinomais būdais, todėl jos dalelių masės ir sąveikos parametrų nustatymas išlieka vienas pagrindinių šiuolaikinės kosmologijos uždavinių.
Vienas svarbus klasifikacijos principas skiria šaltąją tamsiąją materiją (CDM) nuo šiltosios tamsiosios materijos (WDM). Šaltosios tamsiosios materijos dalelės yra palyginti sunkios ir lėčiau judančios, todėl mažo masto struktūros, tokios kaip nykštukinės galaktikos ir ankstyvos dujų sankaupos, gali susiformuoti. Šiltosios tamsiosios materijos dalelės yra lengvesnės ir labiau judrios; jų laisvasis sklidimas slopina mažo masto struktūrų susiformavimą ir išlygina materijos pasiskirstymą subgalaktiniuose skalėse.
Raudonai poslinktas neutraliojo vandenilio 21 cm spinduliavimas suteikia unikalią observacinę langą į Tamsiąją erą ir kosminį aušrą. Kai vandenilio atomai pereina tarp hiperfinių energijos lygių, jie išskiria arba sugeria spinduliavimą esminiu 21 cm bangos ilgiu (apie 1420 MHz ramybės erdvėje). Kadangi nuo tos epochos Visata išsiplėtė, tie signalai šiuo metu yra perkelti į dešimtis MHz (maždaug 50 MHz arba žemiau) jei jų kilmė siekia maždaug 100 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Globalinio (vidutinio per dangų) 21 cm signalo amplitudė ir spektrinė forma koduoja neutralaus vandenilio tankį, temperatūrą ir greičio pasiskirstymą — o netiesiogiai ir pagrindinį tamsiosios materijos pasiskirstymą.
Simuliacijos ir pagrindiniai rezultatai
Norėdami atskirti tamsiosios materijos parašą, Hyunbae Park vadovaujama tyrimų grupė (tuomet Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe) atliko kosminės Tamsiosios eros simuliacijas su precedento neturinčia smulkia erdvine raiška. Vietoje to, kad modeliuotų vėlesnius, sudėtingesnius epochus, kur dominuoja žvaigždžių formavimasis ir grįžtamasis ryšys, jie sutelkė dėmesį į ankstesnį ir paprastesnį intervalą, kur fizika yra geriau apribota ir tamsiosios materijos poveikis aiškesnis.
Simuliacijos sekė, kaip dujų dalelės kaupėsi gravitacijos veikimu tiek šaltojo, tiek šiltojo tamsiosios materijos scenarijuose. Kai dujos krisdavo į tamsiosios materijos potencialo duobes, jos suspausdavo ir įkaisdavo; tankesnės sritys vėsdavo kitaip nei mažesnio tankio zonos. Šie kontrastai keičia 21 cm spinduliavimo ir absorbcijos stiprumą bei jo dažninį modulavimą, kas vėliau atsispindi globaliame signale ir spektruose.
1 pav. Šioje vizualizacijoje kiekvienas taškas reiškia dujų dalelę, kurios masė simuliacijoje yra maždaug 1000 Saulės masių. Kairėje ir dešinėje panelėse palyginami atitinkamai šaltojo ir šiltojo tamsiosios materijos scenarijai. Spalvos vaizduoja dujų temperatūrą: geltona, raudona ir juoda atitinkamai žymi apytiksliai 200 K, 50 K ir 20 K. Laikas juda iš viršaus į apačią, demonstruodamas dujų struktūrų evoliuciją per kosminę Tamsiąją erą. Šaltinis: Hyunbae Park.
Tyrėjų komanda apskaičiavo dangumi vidutinį 21 cm ryškumo temperatūros laiko profilį ir aptiko matomus skirtumus tarp WDM ir CDM modelių. Šaltojo tamsiosios materijos atveju ankstyvas smulkių struktūrų formavimasis sukuria šiek tiek didesnį kontrastą 21 cm signale; šiltajame variante slopinama smulkių struktūrų raida duoda lygesnę ir subtiliai pakitusią spektrinę formą. Prognozuotas ryškumo temperatūros skirtumas tarp šių scenarijų yra mažas — mažiau nei vienas milli-Kelvinas — tačiau jis yra sistemingas ir teoriniu požiūriu patikimas, todėl tinkamai jautriems instrumentams prieinamas aptikimui.
2 pav. Lūkesčiai dėl dangumi vidutinio vandenilio 21 cm signalo maždaug 100 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Juoda linija atspindi atvejį be struktūrų formavimosi, parodytų 1 pav. Mėlyna ir raudona linijos atitinka scenarijus, kai struktūros susiformavo iš šaltosios ir šiltosios tamsiosios materijos, kaip parodyta 1 pav. Šaltinis: Park ir kt.
Kadangi efektas priklauso nuo smulkųjų struktūrų augimo, jo aptikimas leistų tiesiogiai apriboti tamsiosios materijos dalelės masę ir taip klasifikaciją į šaltą ar šiltą. Tai suteikia papildomą ir kosmologinį požiūrį laboratoriniams paieškos eksperimentams ir netiesioginei detekcijai per astronominius duomenis.
Kodėl Mėnulio užnugaris yra idealus observatorijos taškas
Iš Žemės stebėti Tamsiosios eros 21 cm signalą yra itin sudėtinga. Reikalingas dažnių diapazonas (≈50 MHz ir žemiau) yra stipriai užterštas žemiškuoju radijo dažnių trukdžiu (RFI) iš radijo ir ryšio sistemų, be to, daro didžiulį poveikį jonosfera, kuri iškraipo ir sugeria žemo dažnio radijo bangas. Dėl to kontaminacija daro žemės paviršiaus detekciją menko globalaus Tamsiosios eros signalo praktiškai neįmanomą.
Mėnulio užnugaris, nuolat apsaugotas nuo Žemės radijo siuntų, suteikia radijo tylos aplinką, idealiai tinkamą žemo dažnio kosmologijai. Instrumentai, sumontuoti Mėnulio paviršiuje arba Mėnulio orbitoje, esančioje užnugaryje, gali stebėti nepažeistą žemo dažnio dangų be žemiško RFI ir jonosferos poveikio.
3 pav. Scheminė iliustracija, rodanti motyvaciją erdvėje vykdomiems radijo stebėjimams iš Mėnulio užnugario. Stebėjimus nuo Žemės trukdo radijo trukdžiai ir jonosfera. Mėnulio užnugaris siūlo radijo tylos aplinką, kuri yra ideali aptikti silpną Tamsiosios eros signalą. Taip pat parodytos trijų planuojamų misijų — Tsukuyomi (Japonija), CLPS (JAV) ir DSL (Kinija) — meninės vizualizacijos. Šaltiniai: Hyunbae Park, ISAS/JAXA, NASA/Intuitive Machines, Xz998, CC BY-SA 4.0 per Wikimedia Commons.
Keli nacionaliniai ir komerciniai kosmoso projektai jau įtraukė idėjas į žemo dažnio radijo masyvus arba vieno apertūros instrumentus Mėnulyje. Japonijos Tsukuyomi projektas, NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS) misijos ir pasiūlymai, tokie kaip Kinijos DSL koncepcija, atspindi augantį tarptautinį susidomėjimą. Park ir bendradarbių analizė pateikia teorinius lūkesčius, kuriuos misijų planuotojai gali naudoti optimizuodami prietaisų jautrumą, dažnių aprėptį ir kalibracijos strategijas, kad būtų įmanoma atskirti šiltosios ir šaltosios tamsiosios materijos modelius.
Technologinių iššūkių vis dar gausu: stabiliai ir tiksliai išdėstyti žemo dažnio antenas ant Mėnulio regolito, užtikrinti termalinį ir elektroninį stabilumą, taip pat surinkti ilgų bazinių linijų masyvus geresniam kampiniam jautrumui — visa tai reikalauja tvirtos inžinerijos ir misijų planavimo. Nepaisant to, tyrimas rodo, kad mokslinis pelnas — tiesioginiai apribojimai tamsiosios materijos dalelės masei iš kosmologinių duomenų — gali pateisinti tokias investicijas artimiausiomis dešimtmečiams.
Ekspertų įžvalgos
"Tamsiosios eros 21 cm signalo aptikimas būtų kertinis pasiekimas kosmologijoje," sako dr. Maya Chen, astrofizikė iš Institute for Cosmic Studies. "Net sub-milli-Kelvino tikslumo matavimas, atitinkantis simuliacijų prognozes, išbrauktų plačias šiltosios tamsiosios materijos klases ir susiaurintų mūsų paieškas konkretiems dalelių kandidatams. Mėnulis yra švariausia bandomoji erdvė šiems stebėjimams."
Be kosmologinių pasekmių, Mėnulio radijo astronomija skatina technologines ir programines pažangas: mažos masės išskleidžiamos antenos, autonominiai nusileidėjai, tikslios kalibracijos technikos ir tarptautinės partnerystės. Šios technologijos bus naudingos ne tik Tamsiosios eros eksperimentui, bet ir platesnei mėnulinei mokslui, heliofizikai bei žemo dažnio vietinio Visatos tyrimams.
Išvados
Simuliacijos rodo, kad silpnas 21 cm radijo spinduliavimas iš neutralaus vandenilio per kosminę Tamsiąją erą užkoduoja informaciją apie smulkias struktūras, kurios labai priklauso nuo to, ar tamsioji materija yra šalta, ar šilta. Tą parašą aptikti įmanoma tik radijo tylioje stebėjimo platformoje — labiausiai tikėtina Mėnulio užnugaryje. Artėjančios mėnulinės misijos ir koncepcijų studijos dabar turi aiškų teorinį tikslą: dangumi vidutinis 21 cm matavimas dešimčių MHz diapazone su sub-milli-Kelvino tikslumu. Jei tai pavyks, tokie stebėjimai galėtų suteikti lemiamą kosmologinį instrumentą tamsiosios materijos dalelės masės apribojimui ir padėtų išspręsti vieną iš giluminių fizikos klausimų.
Tyrėjų modeliai pateikia praktines gaires misijų dizainui ir instrumentų reikalavimams, todėl perspektyva apriboti tamsiosios materijos savybes per mėnulinę radijo astronomiją tampa vis realistiškesnė per artimiausius dešimtmečius. Raktiniai žodžiai: tamsioji materija, kosminė Tamsioji era, 21 cm vandenilio signalas, mėnulinė radijo observatorija, Tsukuyomi, Mėnulio užnugario radijo astronomija.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą