Луна поможет японским учёным в поисках тёмной материи

Поиски тёмной материи пока не увенчались успехом, хотя на её долю должно приходиться около 80 % вещества во Вселенной. Поэтому вся стратегия по её поиску опирается на уверенность, что пресловутая «чёрная кошка в тёмной комнате» действительно там есть — нужно лишь придумать, как её поймать. По замыслу учёных из Японии, в этом могут помочь радиотелескопы на Луне. Симуляция показала, какой сигнал искать, а на Луне это возможно сделать с минимальными помехами.

Вселенная возникла около 13,8 млрд лет назад в результате Большого взрыва — события, сопровождавшегося стремительным расширением пространства-времени. Примерно через 400 000 лет после этого наступил период, известный как «тёмные века», который длился около 100 млн лет и характеризовался отсутствием звёзд и галактик. В это время доминировали облака газа, состоящие главным образом из атомов водорода, которые, по расчётам учёных, испускали слабые радиоволны с длиной волны 21 см. Эти волны рассматриваются как потенциальный источник ключевой информации о ранней эволюции Вселенной и её составе, включая загадочную тёмную материю.

Исследователи из Университета Цукубы (University of Tsukuba) и Токийского университета (University of Tokyo) применили методы численного моделирования для предсказания интенсивности 21-сантиметрового сигнала в различных сценариях распределения тёмной материи. Используя суперкомпьютер, команда воспроизвела динамику газа и тёмной материи в ранней Вселенной во время «тёмных веков». Симуляции учитывали модели как холодной, так и тёплой тёмной материи. Это позволило достичь беспрецедентной точности в расчётах интенсивности ключевых радиоволн и открыло новые перспективы для интерпретации будущих наблюдений.

Ключевые результаты моделирования показывают, что водородный газ в эпоху «тёмных веков» генерировал характерный радиосигнал с яркостной температурой около 1 милликельвина (одной тысячной градуса Кельвина) в усреднённом по небу радиоизлучении. Более того, тёмная материя, формируя в пространстве неоднородные структуры, должна была вызывать вариации этого сигнала аналогичной амплитуды, что позволило бы отчётливо выделить это влияние на фоне помех. Анализ глобального сигнала в широкой частотной полосе — около 45 МГц — позволит, по мнению учёных, точно определить массу и скорость частиц тёмной материи, что станет прорывом в понимании фундаментальных свойств этой субстанции.

Эти расчёты побуждают ускорить планы по развёртыванию радиотелескопов на поверхности Луны, где отсутствие характерных для Земли и человеческой цивилизации помех обеспечит высокоточные наблюдения. В частности, японский проект «Цукуёми» предусматривает строительство на Луне радиотелескопов для улавливания слабого 21-сантиметрового сигнала. Успех миссии может радикально изменить наше представление о тёмной материи.