Первые звезды могут пролить свет на темную материю

Смотровая площадка: Первые звезды могут пролить свет на темную материю

Недавние наблюдения поглощения водорода, которые произошли, когда первые звезды включились, могут дать представление о природе темной материи, показывают новые эксперименты.

Природа темной материи — одна из самых длинных головоломок в космологии. Астрономы установили, что темная материя является доминирующей составляющей материи во Вселенной, но ее сущность до конца не определена. Возможная зацепка могла быть раскрыта недавними наблюдениями космического рассвета-эпохи, когда образовались первые звезды. В начале этого года исследователи сообщили: необычно сильное поглощение сигнала, поступающего от газа, активированных свет от первых звезд. Теперь, ряд новых документов изучил то, что может быть выведено о темной материи из этого неожиданного поглощения. Например, поглощение можно объяснить предположением, что темная материя несет небольшой электрический заряд, который позволяет ей слабо взаимодействовать с обычной материей. С другой стороны, поглощение несовместимо с некоторыми моделями, которые предсказывают, что темная материя должна уничтожить сама себя. Несмотря на окончательную интерпретацию, космическая Заря явно открыла новый путь к решению головоломки темной материи.

космос

Адольф Шаллер для STScI
первые звезды.

На протяжении почти столетия, ученые исследуют темную материю через ее гравитационное воздействие на видимую материю и излучение. Эти наблюдения подтвердили, что темная материя является одной из главных составляющих Вселенной. Измеренные анизотропии космического микроволнового фона (CMB), например, показали, что общая плотность темной материи примерно в пять раз больше, чем у обычной (барионной) материи. Но анизотропии не являются единственным аспектом CMB, который может содержать информацию о материи во Вселенной. Свет CMB несет отпечаток водородного газа, с которым он столкнулся во время своего путешествия-путешествие, которое началось через 400 000 лет после большого взрыва. Отпечатанный сигнал обусловлен поглощением CMB-фотонов с длиной волны 21 см, что соответствует электронному переходу в сверхтонких уровнях водорода. Поскольку Вселенная расширяется, это поглощение переливается до длинных длин волн, так что наблюдения на определенной длине волны соответствуют определенному времени в прошлом.

21-см сигнал как зонд космического рассвета. На верхней панели показано моделирование эволюции водородного газа, горизонтальная ось-время, а вертикальная ось-1D проекция 2D неба. Цвета показывают яркость 21-см линии, с синим, соответствующим поглощению и красным, соответствующим излучению. Нижняя панель показывает прогноз для спектра полного неба, с поглощением, происходящим ниже штриховой линии и эмиссии выше. Из-за космического красного смещения каждая частота соответствует определенному времени в эволюции водородного газа. Очень рано, в так называемые “темные века”, поглощение было относительно слабым. Но когда звезды включились, их излучение помогло активировать поглощение в 21 см, что привело к большому падению (отмеченному синей полосой). Недавнее наблюдение из краев показало, что это падение глубже, чем предсказывалось. В более поздние времена излучение от звезд и черных дыр вызывало ионизацию газа, что в конечном итоге выключило 21-см сигнал.

В начале так называемого “темного века” поглощение водородного газа было минимальным, так как популяции в сверхтонких уровнях были близки к термическому равновесию с CMB. Однако ожидается, что поглощение резко возрастет в начале космического рассвета — примерно через сто миллионов лет после большого взрыва. В это время ультрафиолетовое излучение от первых звезд стала захватывающей атомы водорода, в результате сверхтонкого уровня населения сместить таким образом, чтобы они отражали температуры газа. Таким образом, сила поглощения 21-см из той или иной эпохи зависит от соответствующей температуры газа, при этом большее поглощение происходит в более холодном газе. Согласно стандартным космологическим моделям, газ достиг самой низкой температуры в течение космического рассвета (после чего газ прошел «реионизацию» и больше не поглощал 21-см фотоны из БКМ). Тем не менее, взаимодействие с темной материей может либо охладить или нагреть атомы водорода из космической зари, производя спектра, который отличается от ожиданий.

Измерение 21-см поглощения является целью нескольких новых и предстоящих экспериментов. Один из них краями (эксперимент для выявления глобальной эпохи reionization сигнала), предложило первый, усредненный по небу спектр на длинах волн, соответствующих redshifted 21-см линии. Данные показали погружение поглощения на длине волны 380 см, или, что то же самое, на частоте 78 МГц. Глубина этого погружения означает, что примерно один из шести фотонов CMB вокруг этой частоты были поглощены промежуточным водородом. Эта глубина в 2 раза больше, чем стандартный прогноз. Заманчиво связывать это неожиданное охлаждение с неким нестандартным взаимодействием газа с холодными частицами темной материи, но следует действовать осторожно. Например утверждалось, что новая фундаментальная сила между темной материей и барионами может объяснить этот сигнал. Однако, наличие новой силы этой величины исключено, потому что, например, это заставило бы звезды охлаждаться быстрее, чем наблюдалось.

Напротив, мы показали, что барионы могут охлаждаться, если часть темной материи частицы света в массы и несут электрический заряд порядка одной миллионной, что электрона. Кулоновские взаимодействия заставят эти мелкие частицы темной материи рассеивать электроны и протоны. Поскольку темный сектор холоднее, чем барионный, чистый эффект этих рассеиваний будет заключаться в охлаждении барионов. Этот сценарий может объяснить наблюдения ребер без введения какой-либо новой фундаментальной силы. Ашер Берлин из ускорителе slac Национальной Ускорительной лаборатории в Калифорнии и его коллеги теперь считают подобные установки и результаты зеркальное отображение наших собственных. Они также исследовали способы ограничения обилия минихаргированной темной материи, представляя, что эти частицы могут аннигилироваться в нейтрино или в другие типы темной материи.

Минихаргед темная материя не исключена настоящей теорией физики частиц, но тем не менее, это экстраординарное утверждение, которое потребует экстраординарных доказательств. К счастью, предлагаемый взаимодействия приводят к новому проверяемые предсказания изменения по небу глубина 21 см поглощения компонент на 78 МГц . Подобно тому, как интенсивность реликтового излучения зависит от направления, в котором вы смотрите, 21-см сигнал ожидается пространственных колебаний на основе относительного движения между темной материи и барионов . Анастасия Фиалков из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в штате Массачусетс, и ее коллеги сейчас моделируется несколько карт 21-см сигнала, используя сотни различных астрофизических моделей. Они показывают, что добавление взаимодействия пятой силы между темной материей и обычной материей значительно увеличивает колебания на 21 см относительно стандартных предсказаний. Таким образом, будущие радиоинтерферометры, такие как LOFAR и HERA, должны легче обнаруживать 21-см колебания, если результат краев действительно вызван темной материей, несущей небольшой электрический заряд.

Даже если сигнал ребер не является результатом заряженной темной материи, измерение температуры газа во время космического рассвета может по-прежнему ограничивать природу темной материи другими способами. Гвидо Д’Амико и его коллеги из ЦЕРН в Женеве сейчас эксплуатируют эту идею, изучая, как темной материи аннигиляции, которые являются результатом многих темной материи модели, может придать энергии и тепла водород. Они показывают, что наблюдения краев, которые подразумевают более холодный, чем ожидаемый водород, устанавливают самые жесткие ограничения, когда—либо определяемые на аннигиляции темной материи. В частности, можно исключить типичных кандидатов темной материи, если их массы меньше чем в десять раз больше протонной массы, исключив возможность появления светлой, СЛАБОПОДОБНОЙ темной материи.

Вышеприведенные результаты демонстрируют обещание измерений космического рассвета для решения головоломки темной материи. Даже слабые взаимодействия темной материи-которые влияют на водородный газ путем удаления или осаждения энергии — могут быть ограничены 21-см данными. Ограничения 21 см дополняют ограничения, полученные от ускорителей частиц, которые больше подходят для зондирования более сильных взаимодействий темной материи.

Для подтверждения результатов краев проводится несколько дополнительных экспериментов, включая сотрудничество SARAS-2, LEDA и PRIzM. Расположение этих антенн в различных полушариях, а также их различные экспериментальные конструкции, имеют важное значение для устранения возможности инструментального или экологического вклада в сигнал краев. Низкочастотные интерферометры, такие как ранее упомянутые LOFAR и HERA, будут отображать 21-см колебания на небе и проверять достоверность сообщенного усредненного по небу сигнала с помощью массива антенн вместо одного детектора.

Исследования космического рассвета имеют светлое будущее. Когда один из нас издан учебник по этой области пять лет назад, когда данные были скудны, он надеется, что новая физика разгадать открытий в 21 см потребуется книга быть пересмотрены. Сообщенный сигнал краев приближает нас к выполнению этой надежды.

Это исследование опубликовано в Физическая.

Ссылки на литературу

  1. Джей Боумэн, А. е. е. Роджерс, р. А. Монсальве, тиджей Моздзен, И Н. Махеш, “поглощения профиля, ориентированного на 78 мегагерц в небе-усредненный спектр,” природа 555, 67 (2018).
  2. Ж. Б. Муньос, А. Лейба, “небольшое количество мини-заряженный темной материи могло бы охладить Барионов в ранней Вселенной,” природа 557, 684 (2018).
  3. А. Берлин, Д. Хупер, г. Krnjaic, и С. Д. Макдермотт, “существенно ограничивает темной материи интерпретации 21-см аномалия”, Уфн. Преподобный Летт. 121, 011102 (2018).
  4. А. Фиалков, р. Barkana, А. Коэн, “сдерживающие Барион–темной материи рассеяния с космическим Рассвет 21-см сигнал” физ. Преподобный Летт. 121, 011101 (2018).
  5. Д. Д’Амико, П. Panci, А. Струмия, “границами на темно-Аннигиляции вещества с 21-см данные”, Уфн. Преподобный Летт. 121, 011103 (2018).
  6. Я. К. Каптейна, “первая попытка теории организации и движения звездных систем,” Изв. Ж. 55, 302 (1922).
  7. С. М. Хирата, “Wouthuysen-поле прочность соединения и применение высоких красных смещениях 21-см излучения,” Пн. Не. Р. Астрон. Соц. 367, 259 (2006).
  8. Хироюки Тасиро, Кэндзи Kadota, и Джозеф Силк “воздействие темной материи-барионного рассеяния на redshifted 21 см сигналы,” Физическая комментарий д 90, 083522 (2014); Трэйси р. Slatyer, “косвенные темной материи подписей в космической тьме веков. И. Генерализация связана унс-волны темной материи уничтожается от планка результатов”, 93, 023527 (2016).
  9. Rennan Barkana, “возможного взаимодействия барионов и темной материи частиц показали первые звезды,” природа 555г. № 7694, 71-74 (2018).
  10. Джулиан Б. Муньос, елы Д. Kovetz, и Ясин Али-Haïmoud, “Отопление барионов вследствие рассеяния с темной материей во времена мрачного средневековья,” Физическая комментарий д 92, 083528 (2015).
  11. Ж. Б. Муньос, С. Дворкин, А. Лейба, “21-см колебания от заряженных темной материи” материалам arxiv:1804.01092.
  12. Леб А. и С. р. Фурланетто, первых галактик во Вселенной (Издательство Принстонского университета, Принстон, Нью-Джерси, 2013)[Амазонки][каталог worldcat].

о авторе

Изображение Авраама Лоэба

Авраам (Ави) Лоэб-Фрэнк Б. Бэрд-младший, профессор науки Гарвардского университета. Его исследования охватывают широкий спектр тем, включая черные дыры, первые звезды, поиски внеземной жизни и будущее Вселенной. В Гарварде он является председателем Департамента астрономии, директором-основателем инициативы «Черная дыра» и директором Института теории и вычислений. Он также выполняет ведущие роли в инициативе «прорыв Старшот», в Фонде «прорыв» и в Совете по физике и астрономии национальных академий. В 2012 году время журнал выбрал Лоэба как одного из 25 самых влиятельных людей в космосе.

Изображение Julián B. Muñoz

Хулиан Б. Муньос получил докторскую степень в университете Джона Хопкинса в 2017 году и является аспирантом в лаборатории Джефферсона в Гарвардском университете. Он работает в различных аспектах теоретической космологии, включая теории темной материи и крупномасштабную структуру.

Add a Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

error: Content is protected !!