Как обнаружить косвенные следы тёмной материи дома

В этой статье рассказывается о том, как при помощи любительского радиотелескопа можно прикоснуться к одной из фундаментальных загадок современной астрофизики.

Если вы когда-либо задавались вопросом о природе тёмной материи, знайте: астрономическое сообщество бьётся над этой же проблемой. Учёным уже доподлинно известно, что совокупная масса этой скрытой субстанции многократно превосходит массу всех наблюдаемых звёзд и туманностей. К подобному выводу исследователи пришли, изучая гравитационное воздействие невидимого вещества на окружающие космические объекты, что положило начало масштабным многолетним поискам природы этого феномена.

Не так давно я выяснил, что зафиксировать косвенные признаки существования тёмной материи вполне под силу даже компактному любительскому радиотелескопу — наподобие системы Discovery Dish, о которой мы уже рассказывали ранее. Ключевая задача — понимать, какие параметры необходимо регистрировать и как правильно интерпретировать собранную информацию. Ниже я подробно разберу методику наблюдений, но прежде остановлюсь на конструкции самодельного радиотелескопа, созданного специально под этот проект.

В основе установки лежит пирамидальная рупорная антенна. По своей конструкции она близка к историческому прибору 1951 года, с помощью которого исследователи впервые зафиксировали радиоизлучение нейтрального межзвёздного водорода на частоте 1420,4 МГц. Именно эта спектральная линия играет фундаментальную роль в доказательстве наличия тёмной материи: скопления водорода рассеяны по всему диску Галактики, а характер их движения отражает гравитационную динамику различных областей Млечного Пути.

Для расчёта параметров рупора я воспользовался специализированным онлайн-калькулятором. Размеры антенны были обусловлены доступными материалами: рулоном кровельного листового алюминия 10×2 фута за $25 и пустой металлической банкой из-под растворителя объёмом в один галлон. (На будущее я бы посоветовал сразу приобрести чистую канистру F-типа).

Конструкция напоминает уменьшенный прототип, о создании которого я писал ещё в 2019 году. Новую антенну я намеренно сделал крупнее, чтобы сузить диаграмму направленности и повысить угловое разрешение при сканировании локальных секторов неба.

Приёмный тракт радиоизлучения водорода включает специализированный модуль Nooelec SAWBird+ H1 за $45, оснащённый парой малошумящих усилителей и ПАВ-фильтром с полосой пропускания на 1420 МГц. Сигнал с него направляется на компактный USB-приёмник RTL-SDR V4. Вся аппаратная часть собирается из бюджетных и общедоступных элементов. Но каким образом эти радиосигналы позволяют подтвердить наличие тёмной материи?

Суть метода заключается в вычислении скоростей орбитального вращения водородных облаков, расположенных на различных расстояниях от галактического ядра.

Главное — экспериментально показать, что скорость обращения газовых скоплений вокруг центра Галактики не падает по мере удаления от него.

Интуитивно можно предположить, что вещество Галактики вращается по кеплеровским законам — подобно планетам вокруг Солнца или спутникам на земной орбите: объекты, расположенные ближе к гравитационному центру, движутся значительно быстрее периферийных. Например, орбитальная скорость Меркурия составляет 47,4 км/с, тогда как далёкий Нептун перемещается со скоростью лишь 5,4 км/с.

В центральной области Млечного Пути сосредоточен массивный звёздный балдж, в сердце которого находится сверхмассивная чёрная дыра. Логично допустить, что подавляющая часть массы сконцентрирована в ядре. Если бы это соответствовало действительности, скорость движения звёзд и газа неуклонно снижалась бы к краям диска. Но если по всей Галактике распределён колоссальный объём невидимого вещества, кеплеровского спада скоростей наблюдаться не должно.

Как вычислить скорость перемещения межзвёздного газа?

Чтобы подтвердить присутствие тёмной материи, нам необходимо доказать постоянство или рост орбитальной скорости объектов с увеличением радиуса их орбит. В радиоастрономии удобнее всего оценивать эту скорость по величине доплеровского смещения радиолинии водорода.

Наводя рупорный телескоп на различные области галактического диска, мы улавливаем радиоволны от скоплений газа на разных расстояниях от ядра. Смещение зарегистрированной частоты относительно стандартных 1420 МГц позволяет вычислить лучевую скорость приближения или удаления этих объектов относительно Земли.

Для построения кривой вращения требуются замеры вдоль плоскости Галактики в диапазоне долгот от 0 до 90 градусов (где долгота 0° соответствует направлению на галактический центр, а 180° — в сторону антицентра). Применив базовые тригонометрические уравнения, полученные лучевые скорости можно преобразовать в истинные скорости орбитального движения вокруг центра Галактики. Данная методика известна в радиоастрономии как метод тангенциальной точки.

Ориентируя антенну на геостационарный спутник связи Inmarsat, я определил, что угловое разрешение телескопа составляет порядка 20 градусов. Затем, ориентируясь по виртуальному планетарию Stellarium, я направлял приёмник на участки с галактическими долготами около 15, 30, 45, 60, 75 и 90 градусов, стремясь пространственно разнести замеры и минимизировать взаимную корреляцию данных.

Для захвата и оцифровки потока использовалась программа SDR# в связке с модулем IF Average. Плагин интегрирует сигнал на протяжении нескольких минут, выделяя слабую спектральную линию водорода на 1420 МГц из фонового шума. В итоговом спектре наблюдается цепочка пиков, вызванных доплеровскими сдвигами от множества водородных комплексов, движущихся с различными скоростями. Для расчётов нас интересует именно крайний пик с максимальным красным смещением — он соответствует объекту с наибольшей лучевой скоростью удаления.

Анализ формы спектральных кривых проводился в среде Microsoft Excel: сигнал раскладывался на сумму гауссовых профилей, что позволило выделить экстремальный показатель красного смещения для каждой из шести долгот. Далее формулы преобразовывали частотные сдвиги в пары параметров: радиус орбиты и соответствующую скорость вращения.

Полученные значения хорошо совпали с данными исследования «The Inner Rotation Curve of the Milky Way», опубликованного в Publications of the Astronomical Society of Japan. Лишь две внутренние точки показали заниженную скорость обращения; повторная аппроксимация несколько сгладила расхождение, хотя аномалия частично сохранилась.

Тем не менее главный итог очевиден: скорость движения водородных облаков не демонстрирует кеплеровского спада по мере удаления от центра, а сохраняется стабильно высокой. Это свидетельствует о наличии массивного скрытого гало, определяющего гравитационную динамику Млечного Пути. Таким образом, даже простая самодельная установка из листового металла и жестяной банки позволяет в домашних условиях получить убедительное подтверждение реальности тёмной материи.

Источник