[Перевод] Шёпот первых звёзд вызвал громкие споры о тёмной материи

Недавнее неожиданное открытие говорит о том, что ранняя Вселенная выглядела совсем не так, как считалось ранее. Первоначальные теории, говорящие о том, что в этом расхождении виновата тёмная материя, подвергаются критике

Новости по поводу первых звёзд во Вселенной всегда кажутся какими-то странными. В прошлом июле Ренан Баркана, космолог из Тель-Авивского университета получил электронное письмо от своего давнего коллеги, Джада Боумана. Боуман руководит небольшой группой из пяти астрономов, построивших и введших в строй радиотелескоп в отдалённой части западной Австралии. Его цель – обнаружить шёпот первых звёзд. Боуман с командой обнаружили не совсем понятный сигнал. И он попросил Баркану помочь ему обдумать, что именно могло вызвать такой сигнал.

В течение всех тех лет, что радиотелескопы сканируют небеса, астрономы надеются уловить слабые сигналы первых звёзд во Вселенной. Такие объекты слишком тусклые, и на расстоянии более 13 млрд световых лет – слишком удалённые, чтобы их можно было различить в обычные телескопы. Вместо этого астрономы ищут следы воздействия этих звёзд на окружающий их газ. Оборудование Боумана, как и другие телескопы, пытается обнаружить определённый провал на графике радиоволн, идущих от дальних краёв Вселенной.

Такие измерения ужасно трудно произвести, поскольку потенциальные сигналы могут затеряться не только в огромном количестве радиосигналов от современного общества – это одна из причин, по которой эксперимент находится на задворках Австралии – но и в сигналах ближайших космических источников, таких, как наша Галактика Млечный путь. И всё же, после многих лет методичной работы, Боуман с коллегами и экспериментом EDGES (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature – эксперимент по нахождению следов глобальной эпохи реионизации) пришли к заключению, что они не только обнаружили первые звёзды, но и нашли свидетельства того, что молодой космос был гораздо холоднее, чем все думали.

Баркана относился к этому скептически. «С одной стороны, измерения вроде бы выглядели надёжными, — сказал он. – С другой стороны, это было весьма неожиданно».

Что могло заставить раннюю Вселенную выглядеть холодной? Баркана обдумал все возможности и понял, что это могло быть следствием наличия тёмной материи – загадочной субстанции, наполняющей Вселенную, и в то же время ускользающей от всех попыток понять, что это и как это работает. Он обнаружил, что результаты EDGES можно интерпретировать как совершенно новый способ взаимодействия обычного вещества и тёмной материи.

Группа EDGES анонсировала детали по поводу этого сигнала и обнаружения первых звёзд во Вселенной в номере Nature от 1 марта. Вместе со статьёй была опубликована работа Барканы, описывающая эту новую идею касательно тёмной материи. СМИ по всему миру разнесли новость об открытии. Associated Press писала «Астрономы мельком увидели рассвет космоса, когда включились звёзды», и добавила, что «они, возможно, обнаружили ещё и загадочную тёмную материю за работой».

Однако за прошедшие с момента публикации недели космологи всего мира выражали смесь восторга и скептицизма. Исследователи, увидевшие результат EDGES впервые, когда он появился в Nature, провели свой собственный анализ, и показали, что даже если за него и отвечает тёмная энергия какого-то рода, как предположил Баркана, влияние могла оказать лишь очень малая её часть. (В некоторых из этих исследований принимал участие и сам Баркана.) А астрономы-экспериментаторы сказали, что хотя они и уважают команду EDGES и тщательную работу, проделанную ею, таким измерениям трудно полностью доверять. «Если бы это не было революционным открытием, людям было бы гораздо проще поверить в результаты, — сказал Дэниел Прайс, астроном из Технологического университета Суинберна в Австралии, работающий над сходными экспериментами. – Яркие заявления требуют ярких доказательств».

Это сообщение эхом отозвалось в космологическом сообществе с момента появления работ в журнале Nature.

Источник шёпота

На следующий день после того, как Боуман связался с Барканой и рассказал ему о неожиданном сигнале EDGES, Баркана поехал со своей семьёй в гости к родителям жены. Во время поездки, говорит он, он раздумывал над сигналом, рассказывая своей жене об интересной загадке, которую Боуман сообщил ему.

Боуман с командой EDGES зондировал нейтральный водородный газ, наполнявший Вселенную в первые несколько миллионов лет после Большого взрыва. Этот газ был склонен к поглощению света, что привело к тому, что космологи поэтически называют «тёмными веками». Хотя космос был заполнен рассеянным фоновым светом, реликтовым излучением (РИ) – так называемым послесвечением Большого взрыва – этот нейтральный газ поглощал его на определённых длинах волн. EDGES искал именно этот рисунок поглощения.

Когда во Вселенной начали включаться звёзды, их энергия должна была разогреть газ. В итоге газ достигал достаточно большой температуры и переставал поглощать РИ. Сигналы поглощения прекратились и тёмные века закончились.

Сигнал поглощения, измеряемый EDGES, содержит огромное количество информации. Он растягивался во время передвижения рисунка поглощения по расширяющейся Вселенной. Астрономы могут использовать это растягивание, чтобы оценить, как долго сигнал находился в пути, и, следовательно, когда включились первые звёзды. Кроме того, ширина обнаруженного сигнала соответствует количеству времени, которое газ поглощал РИ. А интенсивность сигнала – количество поглощённого света – связано с температурой газа и количеством света, находившегося в космосе в то время.

Многие исследователи считают эту последнюю характеристику наиболее интересной. «Это поглощение оказалось гораздо более сильным, чем было возможным по нашим представлениям», — сказал Стивен Фурлането, космолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, изучавший, что данные по EDGES могли бы означать для формирования самых ранних галактик.

Синие линии на графике обозначают ожидаемую силу поглощения, согласно различным моделям. Красной линией показано измеренное поглощение

Самым очевидным объяснением силы сигнала будет то, что нейтральный газ был холоднее, чем предсказывали, поэтому он и мог поглощать больше РИ. Но как Вселенная неожиданно охладилась? «Мы говорим о периоде времени, в который начали формироваться звёзды, — сказал Баркана – о тьме перед рассветом. – Так что всё было настолько холодным, насколько возможно. Вопрос в следующем: А что могло быть ещё холоднее?»

Когда он припарковался на газоне дома родителей жены в тот июльский день, к нему пришла идея: А не могла ли это быть тёмная материя? Ведь ТМ, судя по всему, не взаимодействует с нормальной материей посредством электромагнитной силы – она не поглощает и не испускает тепло. Так что ТМ могла изначально быть холоднее или охлаждаться гораздо дольше нормальной материи в начале Вселенной, а затем продолжать охлаждаться.

Всю следующую неделю он работал над теорией того, как за это могла отвечать гипотетическая форма ТМ под названием «тёмная материя микрозаряженных частиц«. Микрозаряженная тёмная материя (МТМ) могла бы взаимодействовать с обычной материей, но только через слабое взаимодействие. Межгалактический газ затем мог охладиться, «по сути, просто сбрасывая тепло в сектор тёмной материи, которого уже не видно», — пояснил Фурлането. Баркана описал эту идею и отправил её в Nature.

Ренан Баркана

Затем он начал работать с этой идеей более подробно и с помощью коллег. Так же поступили и другие учёные. Сразу после появления работ в Nature несколько космологов-теоретиков начали сравнивать поведение этого неожиданного типа ТМ с тем, что нам известно о Вселенной – десятилетия наблюдений за РИ, данные от взрывов сверхновых, результаты столкновений в таких ускорителях частиц, как Большой адронный коллайдер, и понимание астрономами того, как Большой взрыв произвёл водород, гелий и литий в первые несколько минут Вселенной. Если там была и МТМ осмысленными ли получаются все эти наблюдения?

Но ничего не получалось. Точнее говоря, исследователи обнаружили, что МТМ может составлять лишь малую долю общего количества ТМ во Вселенной – слишком малую, чтобы создать провал, наблюдаемый в данных EDGES. «100% ТМ не может взаимодействовать таким образом», — сказала Анастасия Фиалков, астрофизик из Гарвардского университета и первый автор работы, отправленной в журнал Physical Review Letters. Ещё одна работа, препринт которой Баркана с коллегами отправили на сайт arxiv.org, утверждает, что процент такой должен быть ещё меньше – он не может быть больше, чем 1-2% от всего количества МТМ. Независимые группы пришли к таким же заключениям.

Если это не МТМ, то что может объяснить неожиданную силу поглощения сигнала с EDGES? Ещё одна возможность – существование дополнительного фонового света на заре космоса. Если в ранней Вселенной было больше радиоволн, чем ожидалось, тогда «поглощение казалось бы сильнее, хотя сам газ остался бы тем же», — сказал Фурлането. Возможно, РИ было не единственным фоновым светом в младенчестве Вселенной.

И эта идея не такая уж и странная. В 2011 году эксперимент с использованием воздушного шара, ARCADE 2, сообщил о наличии фонового радиосигнала, превышающего по силе всё, чего можно было бы ожидать от РИ. Учёные пока ещё не могут объяснить этот результат.

После открытия EDGES несколько групп астрономов переосмысливали данные. Одна группа изучала возможность объяснения данных при помощи ЧД, поскольку они – ярчайшие внегалактические источники радиоизлучения в небе. Однако ЧД выдают и другие типы излучения, например, рентгеновские лучи, которых в ранней Вселенной не наблюдается. Поэтому астрономы скептически относятся к идее того, что ЧД могут оказаться разгадкой.

Реален ли сигнал?

Возможно, простейшим объяснением происходящего будет то, что данные просто неверны. Измерения проводить чрезвычайно трудно. Однако, судя по всему, команда EDGES предприняла всё возможное, чтобы проверить и перепроверить свои данные – Прайс назвал эксперимент «отборным» – что означает, что если в данных и есть изъян, его будет исключительно трудно найти.

Эта антенна для эксперимента EDGES была введена в строй в 2015-м в отдалённом месте западной Австралии, где практически нет радиопомех

Команда EDGES ввела в строй свою радиоантенну в сентябре 2015. К декабрю они уже увидели сигнал, говорит Рауль Монсальве, космолог-экспериментатор из Колорадского университета в Боулдере, и член команды EDGES. «Мы сразу же отнеслись к нему с подозрением, поскольку он был сильнее, чем ожидалось».

Так начался их марафон должной осмотрительности. Они построили сходную антенну и установили её в 150 метрах от первой. Они вращали антенны, чтобы исключить влияние окружающей среды и инструментов. Они использовали отдельные техники калибрования и анализа. «Мы провели множество всевозможных проверок и опытов, чтобы попытаться исключить вероятность того, что сигнал приходит из окружающей среды или другого источника, — сказал Монсальве. – Вначале мы сами себе не верили. Мы думали, что такой сильный сигнал выглядит очень подозрительно, поэтому у нас и ушло столько времени на опубликование». Они убеждены, что видят сигнал, и что сигнал неожиданно сильный.

«Я верю в результат», — сказал Прайс, но он подчеркнул, что данные всё ещё необходимо проверить на наличие систематических ошибок. Он упомянул одну область, где эксперимент в принципе мог проглядеть ошибку: чувствительность любой антенны зависит от наблюдаемой частоты и направления прихода сигнала. Астрономы могут учитывать эти несовершенства, либо измеряя, либо моделируя их. Боуман с коллегами решили их моделировать. Прайс предлагает, чтобы члены команды EDGES вместо этого нашли способ их измерить, а потом заново проанализировали сигнал, учитывая измеренный эффект.

Следующий шаг заключается в том, чтобы этот сигнал засекли на другом радиодетекторе, что означало бы, что сигнал идёт с неба, а не с антенны или модели EDGES. Учёные из проекта LEDA (Large-Aperture Experiment to Detect the Dark Ages – эксперимент с большой апертурой для обнаружения тёмных веков), расположенного в Калифорнии в долине Оуэнс, в настоящее время анализируют данные с этого инструмента. Затем им будет необходимо подтвердить, что сигнал имеет космологическую природу, а не производится где-то в нашем Млечном пути. Это непростая задача. Радиоизлучение нашей галактики может быть в тысячи раз сильнее космологических сигналов.

В целом, исследователи относятся к измерениям EDGES и их интерпретации со здоровой долей скептицизма, как говорят Баркана и многие другие. Учёные должны скептически относиться к первым в своём роде измерениям – именно так можно гарантировать надёжность наблюдений, точность анализа и отсутствие ошибок в эксперименте. Именно так и должна работать наука. «Мы задаём вопросы, проводим исследования, исключаем любые неверные возможности, — сказал Томер Волански, специалист по физике частиц из Тель-Авивского университета, совместно работавший с Барканой над одной из работ. – Мы выискиваем истину. Если истина в том, что дело не в ТМ, значит, это не ТМ».