月球最终可能揭示暗物质

构成恒星、行星以及我们所能看到的一切的普通物质，仅占宇宙中所有物质的约20%。剩余的80%被认为是暗物质：一种不发射、吸收或反射光的神秘物质发射、吸收或反射光的神秘物质，其真实本质仍是现代物理学中最大的未解之谜之一。尽管不可见，但已知暗物质在诸如银河系等星系的形成以及塑造宇宙大尺度结构中起着至关重要的作用。

暗物质的关键特性之一是其组成粒子的质量。如果这些粒子相对较轻，例如小于电子质量的约5%，那么暗物质被认为是温暗物质，会抑制小于星系尺度的结构形成。然而，如果粒子较重，暗物质则被归类为冷暗物质，这会促进较小尺度结构的增长。

天文学家长期以来一直试图通过研究由气体和恒星组成的小尺度结构来确定暗物质粒子质量，因为这一信息对于粒子物理学家发展暗物质理论模型至关重要。

一项由筑波大学博士后朴炫培（Hyunbae Park）领导的新研究（他在担任东京大学卡弗里数物连携宇宙研究机构（Kavli IPMU, WPI）项目研究员期间进行了此项研究）并包括了卡弗里IPMU教授兼马克斯·普朗克天体物理研究所访问科学家吉田直树（Naoki Yoshida），该研究聚焦于宇宙黑暗时代（即大爆炸后最初1亿年，恒星和星系形成之前）存在的小型气体云。由于恒星和星系的形成与演化涉及复杂且尚未完全理解的过程，精确模拟它们的行为仍然是现代计算天体物理学的一项重大挑战。通过瞄准这些复杂性出现之前的时代，研究人员能够以前所未有的精度模拟早期宇宙结构。

模拟结果揭示了在黑暗时代，随着宇宙膨胀，气体如何逐渐冷却，同时通过与暗物质的引力相互作用形成小型气体团块。这些团块中的气体变得比宇宙平均密度高得多，并因压缩而升温。这种密度和温度的变化被印刻在氢原子发出的21厘米波段无线电波中。该21厘米波段无线电波中。该团队模拟了这些原始气体云发出的古老信号，发现其天空平均强度对暗物质是温还是冷极为敏感。研究人员认为，这种差异可能使未来的月球实验能够区分相互竞争的暗物质模型。

预计黑暗时代信号将出现在约50 MHz或更低的频率上，并带有特征性频率调制，两种暗物质情景下的亮度温度差异小于1毫开尔文。这些频率在地球上受到人造信号的严重污染，并进一步被电离层遮蔽，使得从地面天文台探测该信号几乎不可能。相比之下，月球背面提供了一个无线电静默环境，不受地球干扰，被认为是探测这种难以捉摸的黑暗时代信号的理想地点。

尽管在月球上建造射电天文台面临着重大的技术和财务挑战，但越来越多的国家正将此类任务作为新太空竞赛的一部分加以推进，将科学抱负与技术进步相结合。随着这种国际势头的增长，现在认为在未来几十年内头的增长，现在认为在未来几十年内通过基于月球的观测来确定暗物质粒子质量是可行的。在这些国家中，日本正积极开发“月读”（Tsukuyomi）项目，计划在月球上部署射电天线。

该团队的研究为这些近未来的任务提供了必要的理论指导，以最大化其科学回报。