Этот материал посвящён исследованию невидимой космической загадки с помощью DIY‑радиотелескопа.

Если вы хотите узнать, что такое тёмная материя, учтите, что вы не одиноки. Астрономов занимает тот же вопрос. Однако им уже кое‑что известно: масса этой невидимой субстанции значительно превосходит массу наблюдаемых ими звёзд и туманностей. К такому выводу их привели наблюдения за гравитационным воздействием этого загадочного вещества на другие космические структуры. Это положило начало исследованиям длиной в несколько десятилетий, цель которых — понять природу тёмной материи.

Недавно я узнал, что обнаружить признаки существования тёмной материи можно с помощью маленького радиотелескопа. Например, такого, как Discovery Dish, о котором мы писали в прошлом году. Самое главное — знать, какие именно данные собирать в ходе наблюдений и как их потом обрабатывать. Ниже я в общих чертах об этом расскажу, но сначала хочу описать самодельный радиотелескоп, который я создал специально для этого проекта.

В моём проекте используется пирамидальная рупорная антенна. Она похожа на ту, с помощью которой в 1951 году впервые было обнаружено радиоизлучение межзвёздных облаков нейтрального водорода на частоте 1420,4 МГц. Именно это излучение играет ключевую роль в подтверждении существования тёмной материи. Дело в том, что подобные облака можно обнаружить по всей Галактике, а особенности их перемещения отражают то, что происходит в различных частях Млечного Пути.

При проектировании антенны я воспользовался онлайн‑калькулятором. Её размеры были ограничены тем, что можно было соорудить из рулона кровельного листового алюминия размерами 10 на 2 фута за $25 и из пустой ёмкости объёмом в один галлон из‑под разбавителя для краски. (В следующий раз для подобного проекта я просто куплю чистую канистру F‑типа).

Сама рупорная антенна похожа на ту, чуть меньшую, о которой я писал в 2019 году. Я сделал новую антенну крупнее: мне требовалось лучшее угловое разрешение для сканирования меньших участков неба.

Для регистрации радиоизлучения межзвёздного водорода я использовал устройство Nooelec SAWBird+ H1 стоимостью $45. В нём имеются два малошумящих усилителя и полосовой фильтр на поверхностных акустических волнах с центральной частотой 1420 МГц. Его я подключил к USB‑приёмнику RTL‑SDR V4. Как видите, установка, предназначенная для приёма излучения водородных облаков, состоит из вполне доступных компонентов. А как обнаружить в этом излучении признаки существования тёмной материи?

Ответ заключается в том, чтобы использовать полученные данные для измерения скоростей, с которыми движутся по своим орбитам облака, находящиеся на различных расстояниях от центра Млечного Пути.

Нужно лишь показать, что скорость, с которой облака обращаются вокруг центра Галактики, не убывает по мере удаления от него.

Можно подумать, что эти облака обращаются вокруг центра Галактики так же, как планеты вокруг Солнца или как спутники вокруг Земли. Объекты, находящиеся ближе к центральному телу, двигаются быстрее, чем те, что расположены дальше. Меркурий, например, носится вокруг Солнца со скоростью 47,4 км/с, а Нептун неспешно движется со скоростью 5,4 км/с.

В центральной области Млечного Пути расположен звёздный балдж, окружающий сверхмассивную чёрную дыру. Поэтому на первый взгляд может показаться, что основная масса Галактики сконцентрирована у её центра. Если бы так и было, то скорость обращения звёзд и газовых облаков убывала бы по мере удаления от центра. Если же по всей Галактике распределено огромное количество невидимой материи, то подобного спада орбитальных скоростей ожидать бы не следовало.

Как измерить скорость движения межзвёздных облаков?

Итак, чтобы обнаружить признаки существования тёмной материи, нам надо продемонстрировать, что скорость, с которой вещество обращается вокруг центра Галактики, не убывает с ростом расстояния до него. Легче всего это сделать, воспользовавшись методами радиоастрономии. Скорость можно оценить, измерив величину доплеровского смещения излучения водородных облаков.

Направляя радиотелескоп на различные участки неба, мы можем принимать излучение газовых облаков, расположенных на разных расстояниях от центра Галактики. Смещение частоты этого излучения относительно 1420 МГц отражает скорость, с которой облака приближаются к Земле или удаляются от неё.

Нам понадобятся результаты измерений, выполненных в плоскости Галактики, в диапазоне галактических долгот от 0 до 90 градусов (галактическая долгота 0 градусов задаёт направление точно на центр Галактики, а 180 градусов — в противоположную сторону). Применив формулы из школьного курса тригонометрии, мы сможем преобразовать полученные данные в орбитальные скорости, с которыми объекты движутся вокруг центра Галактики. Этот подход к определению скоростей известен как метод тангенциальной точки.

В ходе эксперимента, когда я направлял рупорную антенну на геостационарный спутник Inmarsat, удалось выяснить, что угловое разрешение моего маленького радиотелескопа составляет около 20 градусов. Потом, с помощью данных из программы‑планетария Stellarium я направлял антенну в плоскости Галактики на точки, описываемые галактическими долготами примерно в 15, 30, 45, 60, 75 и 90 градусов. Я стремился к тому, чтобы разнести наблюдения в пространстве и сделать каждый набор измерений в значительной мере независимым от других.

Я использовал программный пакет SDR# с плагином IF Average для чтения необработанных данных, поступающих с антенны. Этот плагин накапливает данные, полученные в течение нескольких минут, позволяя слабому сигналу проявить себя и сформировать чистый спектр радиосигнала, показывающий линию 1420 МГц. В реальности данные выглядят как всплеск сигнала, или даже как серия всплесков, из‑за доплеровского смещения излучения, принятого от множества облаков, находящихся на разных расстояниях от галактического центра. К счастью, нас интересует лишь облако, которое удаляется от нас быстрее всего — то, которое, говоря на языке астрономов, имеет наибольший показатель красного смещения.

Для анализа форм спектров собранных радиосигналов я пользовался Microsoft Excel. Я применил модель, в которой спектр представляется как сумма колоколообразных профилей, полученных от разных облаков. Это позволило мне примерно определить наибольший показатель красного смещения для каждой галактической долготы, на которой проводились измерения. Затем я, снова прибегнув к Excel, применил формулы, преобразовав шесть полученных значений красного смещения в шесть пар показателей: орбитальную скорость и расстояние от центра Галактики.

Мои результаты достаточно хорошо согласовались с материалами недавней статьи: «The Inner Rotation Curve of the Milky Way», размещённой в Publications of the Astronomical Society of Japan. Две самые внутренние точки показали аномально низкие орбитальные скорости. Ещё раз занявшись аппроксимацией кривых в Excel, я смог приблизить мои результаты к ожидаемым, но они, несмотря на это, всё равно отклонялись от нормы.

В любом случае, измеренные мной орбитальные скорости водородных облаков не убывали с ростом расстояния от галактического центра. Скорее — наоборот. Что‑то влияет на то, как именно движутся тела в Млечном Пути. Описанный здесь простой эксперимент позволяет говорить о том, что я, пользуясь кусками алюминия и жестяной банкой, смог в домашних условиях найти доказательство существования тёмной материи.