Космические «призраки» как инструмент: быстрые радиовсплески помогут измерить темную материю и нейтрино

Хотя их происхождение может быть окутано тайной, быстрые радиовсплески (FRB) могут быть использованы для исследования некоторых самых больших загадок Вселенной. Это включает изучение природы темной материи — невидимого вида материи, который каким-то образом доминирует во Вселенной, — и темной энергии, загадочной силы, вызывающей ускорение расширения нашей Вселенной. Они могли бы даже пролить свет на тайны нейтрино, или «частиц-призраков». Давайте разберемся, как именно.

FRB — это краткие, но интенсивные всплески радиоволн, которые, как сейчас считается, извергаются из быстро вращающихся мертвых звезд с самыми сильными магнитными полями во Вселенной, называемых магнетарами. Поскольку FRB путешествуют миллиарды световых лет, чтобы достичь Земли, они проходят через плотные облака газа и пыли в галактиках. Этот «космический туман» изменяет исходный сигнал FRB. Это означает, что эти всплески радиоволн несут отпечатки того, как распределена материя во Вселенной.

Картирование распределения и «комковатости» обычной материи в галактиках может затем помочь проследить распределение темной материи, эффект темной энергии и массу нейтрино.

«Мы установили, что FRB являются ведущим инструментом для изучения распределения материи во Вселенной, — сказала в заявлении руководитель группы Критти Шарма, аспирантка, работающая с Викрамом Рави, профессором астрономии Калифорнийского технологического института (Caltech) и также членом команды. — Эти данные FRB могут быть использованы для усиления космологических экспериментов, пытающихся ответить на вопросы о темной материи, темной энергии и массе нейтрино».

Для этого исследования Рави и Шарма проанализировали выборку из около 100 FRB. Это представляет первый случай, когда ученые использовали FRB для прямого измерения воздействия так называемой «обратной связи» от галактик на комковатость материи в крупномасштабных регионах между галактиками.

Космические призраки и темная Вселенная

Обычная материя, состоящая из атомов, образованных электронами, протонами и нейтронами, составляет всего около 5% энергетического/материального бюджета Вселенной, несмотря на то, что включает звезды, планеты, луны, наши тела, кота соседа и все, что мы видим вокруг себя ежедневно.

Из этого бюджета остальные 95% состоят из темной энергии (68%) и темной материи (27%). Неудивительно, что ученые очень хотят лучше понять эти два аспекта космоса, иногда collectively называемые «темной Вселенной».

Все становится еще более туманным, если учесть, что из этих 5% вторыми по распространенности частицами во Вселенной, помимо частиц света или фотонов, являются нейтрино. Они получили прозвище «частицы-призраки», потому что взаимодействуют с другими частицами материи настолько редко, что примерно 100 триллионов нейтрино проходят через ваше тело каждую секунду, не оставляя никакого следа. Это возможно, потому что нейтрино практически не имеют массы, и ученые хотят точно измерить массу этих космических призраков.

Эти три загадочных элемента космоса сыграли жизненно важную роль в эволюции крупномасштабных космических структур, таких как галактики и скопления галактик. Это, в свою очередь, означает, что измерение кластеризации материи может выявить детали об аспектах Вселенной, которые повлияли на эту кластеризацию.

Однако для этого ученым также нужно понять, как другие факторы сглаживают космическую комковатость. Это включает энергию, выбрасываемую из сердец галактик питающимися сверхмассивными черными дырами — тип космической обратной связи, которая сглаживает комковатую космическую материю, лежащую вне галактик.

«Процесс обратной связи разжижает газ around галактик, перераспределяя материю на огромные расстояния. Он сглаживает скопления материи способом, который выглядит удивительно похоже на то, что делают массивные нейтрино, или на то, что предсказывают теории темной энергии или темной материи, — сказал Рави. — Если ученые не смогут независимо измерить этот вклад от обратной связи, они не смогут отличить эти эффекты друг от друга».

Вот тут на сцену выходят FRB.

Исследователи обнаружили, что, хотя галактическая обратная связь действительно сглаживает окружающий материал, делая его менее комковатым, эффект слабее, чем измерялось ранее.

«Наш анализ FRB показывает, как газ, выброшенный астрофизической обратной связью, подавляет космическую структуру, — сказала в заявлении член команды Элизабет Краузе из Университета Аризоны. — Это удивительно, учитывая, что у нас было только около 100 FRB в выборке. Это только начало».

Исследование Вселенной с помощью FRB может получить значительный импульс в 2029 году, когда Deep Synoptic Array (DSA) Caltech начнет работу в Неваде. Этот мощный радиотелескоп, как ожидается, найдет десятки тысяч FRB — крупный подарок для космологии.

Исследование команды было опубликовано во вторник (8 сентября) в журнале Nature Astronomy.

Новые окна в темную Вселенную

Быстрые радиовсплески — одно из самых загадочных явлений в астрофизике. Мы не знаем точно, что их вызывает. Но мы знаем, что они — идеальные зонды для изучения того, что находится между нами и ними.

Когда радиоволна проходит через космическую среду, она взаимодействует с электронами. Это замедляет разные частоты по-разному. Чем больше материи на пути, тем сильнее искажение сигнала. Это как свет, проходящий через мутную воду — чем мутнее, тем сложнее разглядеть источник.

FRB позволяют измерить эту «мутность» с точностью, недоступной другим методам. И, что важно, они позволяют отделить эффект галактической обратной связи от эффекта нейтрино и темной материи.

Это критически важно. Потому что все эти эффекты выглядят похоже — они сглаживают распределение материи. Если их не разделить, мы не сможем понять, что именно влияет на структуру Вселенной.

С DSA, который начнет работу через несколько лет, у нас будет в сто раз больше FRB. Это откроет новую эру в космологии. Мы сможем измерить массу нейтрино, понять природу темной энергии и, возможно, найти ответы на вопросы, которые мучили физиков десятилетиями.

FRB — не просто вспышки. Это послания из глубин космоса, несущие информацию о самой ткани реальности.

Источники: Nature Astronomy, заявления Критти Шармы, Викрама Рави и Элизабет Краузе, данные Caltech.