Ищем тёмную материю из дома

В этой установке сначала происходит вполне земная вещь: широкий алюминиевый рупор смотрит в полосу Млечного Пути, кабель несёт сигнал в малошумящий тракт, а ноутбук копит спектр вокруг 1420.4 МГц. На экране возникает линия нейтрального атомарного водорода H I — излучение с длиной волны 21 см, которое приходит из межзвёздного газа.

Тёмная материя в этот приёмник не приходит. Рупор принимает водород, а гипотеза о невидимой массе возникает на следующем шаге: из доплеровского сдвига линии получают лучевые скорости газа, по ним восстанавливают вращение Галактики и спрашивают, хватает ли видимой массы для таких орбит. Именно в этой цепочке домашний эксперимент касается классического аргумента в пользу тёмной материи.

James Provost собрал пирамидальный рупор из листового кровельного алюминия; в фокусе работает волноводный узел из пустой канистры. За антенной стоят SAWbird+ H1 с двумя малошумящими усилителями и полосовым SAW-фильтром для диапазона H I, затем RTL-SDR Blog V4. Производитель модуля заявляет усиление не менее 40 дБ на целевой частоте и типичный коэффициент шума около 0.8 дБ. Здесь эти цифры описывают выбранный тракт, а не измеренную чувствительность всей станции: её определяют также потери в фиде, температура окружения, помехи и качество частотной привязки SDR.

Автор направлял антенну на шесть долгот галактической плоскости, от 15° до 90°. По наведению на геостационарный Inmarsat он оценил ширину главного луча примерно в 20°. Это красивый и одновременно жёсткий компромисс: рупор собирает достаточно энергии для доступного приёмника, однако его луч почти сопоставим с шагом наведений в 15°. Соседние наблюдения захватывают перекрывающиеся области неба, а спектр смешивает излучение множества облаков водорода вдоль луча.

Для внутренних областей Млечного Пути используют метод тангенциальной точки. Самый далёкий по частоте край линии связывают с газом в точке, где луч зрения касается предполагаемой круговой орбиты вокруг центра Галактики. Из этой терминальной скорости получают одну точку кривой вращения. Provost усреднял спектры в SDR#, затем раскладывал многокомпонентный профиль на колоколообразные кривые в Excel и получил шесть оценок.

Именно выделение терминального края оказывается самой хрупкой частью опыта. Автор сообщает, что две внутренние точки сначала дали слишком малые скорости, после чего повторная подгонка приблизила их к ожидаемой профессиональной кривой. Без опубликованных IQ-записей, спектров с численными осями, параметров подгонки, калибровки частоты и оценки ошибок такое совпадение нельзя считать проверкой кривой вращения. Подгонка после знакомства с ожидаемым ответом особенно легко превращает шумный край линии в удобную точку.

У профессиональных обзоров проблем больше, чем шесть направлений и один широкий рупор. Газ в баре и спиральных структурах движется не вполне по кругу, внутренняя Галактика асимметрична, а метод тангенциальной точки требует геометрических предположений. Работа Y. Sofue и M. Kohno по данным H I и CO отдельно разбирает эти систематики и сверяет результат с VLBI и Gaia.

Зато радиочасть проекта остаётся честно воспроизводимой: простая антенна, узкополосный приёмный тракт около 1.42 ГГц, накопление слабого спектра и доплеровская кинематика газа. Рупор из канистры способен показать, что Млечный Путь вращается как измеряемая радиомашина. Переход от этого наблюдения к распределению невидимой массы требует уже калиброванных данных, модели Галактики и статистики, которых у домашней демонстрации пока нет.