Водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті. Понад 90% атомів у Всесвіті складають водень. У десять разів більше, ніж в атомів гелію, і в сто разів більше, ніж у всіх інших елементів разом узятих. Він всюди, від води в наших океанах до найдавніших регіонів Космічної Зорі. На щастя для астрономів, весь цей нейтральний водень може випромінювати слабку лінію радіовипромінювання.
Вона відома як лінія водню HI або 21-сантиметрова лінія. Водень складається з одного електрона, пов’язаного з одним протоном. Коли спіни цих двох вирівняні однаково, водень має трохи вищу енергію, ніж коли спіни протилежно спрямовані. Таким чином, електрон може зазнати перевороту і вивільнити трохи енергії у вигляді фотона світла. Для цього не потрібно перегрівати або іонізувати водень. Це може статися спонтанно. Тож скрізь, де є хмари водню, ви можете бути впевнені, що вони випромінюють 21-сантиметрове радіосвітло.
Оскільки лінія випромінювання має дуже специфічну довжину хвилі, ми можемо використовувати її для вимірювання відносного руху або космологічного червоного зсуву водню. Одним із перших застосувань цього трюку було вимірювання руху водню в Чумацькому Шляху та інших сусідніх галактиках, що дозволило Вірі Рубін відкрити темну матерію. Тепер нове дослідження показує, як 21-сантиметрова лінія може дати нам перші докази існування частинок темної матерії.
Дослідження, опубліковане на сервері попереднього друку arXiv , зосереджено на масиві реіонізації Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), який є радіотелескопом у Південній Африці, який особливо підходить для спостереження за воднем у ранньому Всесвіті.
Коли він з’явиться в мережі, HERA складе карту великомасштабної структури водню протягом космічних темних віків і періоду космічного світанку, який є часом між згасанням первісної вогняної кулі Великого вибуху та появою перших зірок і галактик. У цей період космос був наповнений темною матерією і теплими хмарами водню.
Якщо темна матерія справді нейтральна і взаємодіє з матерією та світлом лише гравітаційно, то 21-сантиметрове світло є єдиним світлом, випромінюваним протягом цього періоду. Але найпопулярніша модель темної матерії включає частинки, відомі як WIMP.
Нейтральні частинки темної матерії набагато важчі за звичайні частинки матерії, такі як протони та електрони. У деяких частинках темної матерії ці WIMP час від часу розпадаються на звичайну матерію, створюючи сплеск енергійних позитронів і електронів або протонів і антипротонів. Якщо це так, то ці енергетичні частинки розпаду будуть взаємодіяти з 21-сантиметровим світлом.
На основі спостережень космічного мікрохвильового фону та інших досліджень ми знаємо, що WIMP матиме дуже довгий період напіврозпаду. Наразі ми не бачили доказів розпаду темної матерії, що означає, що WIMP не існує, або їх період напіврозпаду перевищує трильйон років. Це нове дослідження показує, що навіть якби WIMPs мали період напіврозпаду в тисячу разів довший, HERA зміг би виявити його вплив на ранню лінію 21 сантиметр. І він мав би достатньо даних, щоб зробити це протягом 1000 годин спостереження.
Навіть якщо HERA не виявить жодних доказів розпаду темної матерії, це все одно буде великим кроком вперед. Його обмеження на період напіврозпаду темної матерії були б достатньо сильними, щоб виключити деякі моделі WIMP і розсіяти діапазон моделей. Джерело
