Первые звёзды помогают найти чёрную материю

Первые наблюдения излучения далекой эпохи реионизации Вселенной помогли оценить массу частиц темной материи, считают Джад Боуман (Judd Bowman) и его коллеги из Университета штата Аризона – участники проекта «Эксперимент по обнаружению следов глобальной эпохи реионизации» (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature, EDGES). Речь идет о периоде приблизительно 550–800 млн лет спустя после Большого взрыва, когда во Вселенной зажглись первые звезды и появились первые галактики, а содержавшийся в ней водород и гелий превратился в излучающую ионизированную плазму.

В рамках эксперимента EDGES на западе Австралии работает массив радиотелескопов, которые фиксируют микроволновый сигнал, оставленный водородом эпохи реионизации. Наполнявшие прежде космос нейтральные атомы находились в равновесии с излучением, и лишь с момента реионизации начали поглощать волны определенной длины, оставляя нужный астрономам след. Как и положено, водород поглощал на 21 см, однако расширение Вселенной сместило сигнал в более длинноволновую область.

До сих пор такой работе мешало радиоизлучение источников нашей собственной Галактики, которое подавляло слабый сигнал из далекого прошлого. Однако Боуману и его коллегам удалось разработать алгоритм по удалению из полученных спектров этого «белого шума» – и получить картину времен 180–250 млн лет от рождения Вселенной.

Сообщается, что это – первые реальные наблюдения, которые относятся к периоду между первичной рекомбинацией (ок. 400 тыс. лет после Большого взрыва), которая сохранилась реликтовым излучением, и светом древнейшей из известных галактик (400 млн лет). Их результаты ученые представили в статье, опубликованной журналом Nature.

Абсорбционный сигнал оказался более чем вдвое более сильным, чем ожидали ученые, – это указывает на то, что водород успел охладиться быстрее предсказаний теории. Такой неожиданный результат интерпретирует астрофизик из Тель-Авивского университета Реннан Баркана (Rennan Barkana), статья которого вышла в том же номере Nature. Он отмечает, что избыток энергии газа мог передаться при столкновениях с частицами темной материи. Исходя из этого ученый оценивает их массу примерно впятеро больше массы атома водорода.

Эти выводы могут служить новым доводом в пользу одной из альтернативных моделей темной материи. Сегодня наиболее приняты представления о том, что частицы ее исключительно массивны и весят в сотни раз тяжелее водорода (протона). Однако поиски таких частиц пока не дают никакого результата, что поддерживает немногим менее популярную модель, в которой темная материя состоит из куда более легких и слабо взаимодействующих частиц. Эта версия и получила неожиданный плюс в наблюдениях эпохи рождения первых звезд.