Миссия Арракиса по раскрытию тайн темной материи

Вместо этого этот шустрый спутник прыгнет выше своего веса и попытается отследить одну из самых неуловимых и загадочных субстанций во Вселенной: темную материю. Это термин, данный гипотетической невидимой материи, которая считается более распространенной, чем обычная материя, и оказывает аналогичное гравитационное воздействие на свое окружение.

Миссия классифицируется как быстрая (F), что означает, что она меньше по размеру, более целенаправленна и имеет более быстрый оборот (менее десяти лет до запуска), чем другие типы миссий ЕКА. Предыдущая F-миссия агентства, выбранная в 2019 году, называется Comet Interceptor.

Этот зонд, уже припаркованный в стабильной точке Солнечной системы, ждет, пока комета не появится и не пролетит мимо него, что должно произойти примерно во время запуска Арракхиса в начале 2030-х годов.

Следуй за светом

Поскольку темная материя все еще ускользает от обнаружения, миссия будет нацелена на источники света, чувствительные к ней. Мы ожидаем, что обычная материя — материал, который на самом деле излучает свет, например звезды в галактиках — будет двигаться в основном под влиянием темной материи, которой больше.

Мы полагаем, что целые галактики перемещаются из стороны в сторону под действием темной материи, лежащей в их основе, подобно маякам, раскинувшимся над невидимым океаном. Однако их плавание ухабисто, поскольку считается, что темная материя распределена по Вселенной неравномерно, образуя «космическую паутину» на огромных расстояниях и имея более комковатый вид в масштабах галактики. Некоторые из этих сгустков должны быть населены маленькими галактиками, называемыми карликовыми галактиками, в то время как другие полностью состоят из темной материи.

Есть также обломки, оставшиеся от тех карликовых галактик, которые отважились подойти слишком близко к галактикам-хозяевам, вокруг которых они вращаются. Поскольку окружающая темная материя разрывает эти галактики на части гравитационными приливами, они начинают распадаться на длинные потоки звезд, которые окутывают обширные участки космоса.

Эти тонкие завесы света — еще одна связь с невидимым. Подсчитав и измерив их формы, мы можем сделать вывод, из каких частиц состоит темная материя, и, в конечном счете, какая космологическая модель является наиболее точной.

Комковатость в космосе — это надежное предсказание наших космологических моделей, поскольку она просто представляет собой результат действия гравитации на материю. Однако наши модели дают противоречивые предсказания о количестве этих сгустков, которое может быть больше или меньше в зависимости от того, из какого типа частиц или частиц, по нашему предположению, состоит темная материя.

В «стандартной» космологической модели частицы темной материи считаются «холодными», что означает, что они тяжелые и медленно движущиеся (примером могут служить «слабо взаимодействующие массивные частицы», или вимпы).

Это означает, что наш Млечный Путь будет содержать сотни сгустков темной материи, некоторые из которых будут содержать карликовые галактики. Но проблема в том, что мы видим вокруг себя лишь несколько десятков карликовых галактик, что очень озадачивает. Это может означать, что большинство этих сгустков состоят из темной материи.

Однако у космологов есть и другие жизнеспособные идеи. Например, если темная материя «теплая» — это означает, что частицы намного легче и быстрее, такие как стерильные нейтрино, — с самого начала будет гораздо меньше сгустков.

Наблюдения могут дать нам окончательный ключ к тому, какая модель верна, но для этого нам сначала понадобится точная перепись карликовых галактик, вращающихся вокруг Млечного Пути.

Верхушка айсберга

Имеются убедительные признаки того, что карликовые галактики, обнаруженные до сих пор вблизи Млечного Пути или других крупных галактик, являются лишь верхушкой айсберга, и что многие другие остаются скрытыми за светом своих хозяев. Арракхис сможет обнаружить эту пропавшую популяцию даже на большом расстоянии от нас.

Наблюдение за этим слабым звездным светом оказалось сложной задачей даже для самых больших телескопов на Земле, поскольку для этого требуется очень глубокое изображение и съемка больших участков неба.

Кроме того, помехой является атмосфера Земли. Арракхис будет наблюдать из космоса с помощью инновационной камеры, которая глубже исследует как оптическую, так и ближнюю инфракрасную часть спектра, и имеет гораздо более широкое поле зрения. (Между прочим, этот тип камеры также может смотреть на Землю с превосходным разрешением.)

Сотня или около того систем, подобных Млечному Пути, которые будут наблюдаться, находятся примерно в 100 миллионах световых лет от нас, где до сих пор было обнаружено лишь несколько карликовых галактик и пока нет звездных потоков.

Когда мы узнаем количество карликовых галактик, которые вскоре будут обнаружены, и то, как они будут распределены в пространстве, мы сможем определить правильную космологическую модель.

Арракхис найдет многие недостающие части головоломки, которую дает темная материя, дополняя то, что мы уже знаем из соседней вселенной, и то, что мы узнаем в будущем с помощью других будущих телескопов, таких как Евклид или обсерватория Веры Рубин.

Есть надежда, что эти подробные комбинированные наблюдения наконец раскроют тайну темной материи и помогут нам понять, из чего состоит большая часть материи в космосе.

Андреа Фонт, преподаватель теоретической астрофизики, Ливерпульский университет Джона Мура.