Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Безусловно. Более 90% атомов во Вселенной состоят из водорода. В десять раз больше атомов гелия и в сто раз больше, чем всех остальных элементов вместе взятых. Оно повсюду, от воды в наших океанах до самых ранних регионов Космического Рассвета. К счастью для астрономов, весь этот нейтральный водород может излучать слабую линию радиоизлучения.
Она известна как линия водорода HI или линия длиной 21 сантиметр. Водород состоит из одного электрона, связанного с одним протоном. Когда спины этих двух атомов ориентированы одинаково, водород имеет немного более высокую энергию, чем когда спины направлены противоположно. Таким образом, электрон может совершить переворот спина и высвободить немного энергии в виде фотона света. Для этого водород не нужно перегревать или ионизировать. Это может произойти спонтанно. Поэтому везде, где есть облака водорода, вы можете быть уверены, что они излучают радиосвет длиной 21 сантиметр.
Поскольку линия излучения имеет очень специфическую длину волны, мы можем использовать ее для измерения относительного движения или космологического красного смещения водорода. Одним из первых применений этого трюка было измерение движения водорода в Млечном Пути и других близлежащих галактиках, что позволило Вере Рубин открыть темную материю. Теперь новое исследование показывает, как 21-сантиметровая линия может дать нам первое свидетельство существования частиц темной материи.
Исследование сосредоточено на водородной системе реионизации (HERA), радиотелескопе в Южной Африке, который особенно подходит для наблюдения за водородом в ранней Вселенной. Когда HERA появится в сети, она составит карту крупномасштабной структуры водорода во время космических темных веков и периода космического рассвета, который является временем между исчезновением первобытного огненного шара Большого взрыва и появлением первых звезд и галактик. В этот период космос был наполнен темной материей и теплыми облаками газообразного водорода.
Если темная материя действительно нейтральна и взаимодействует с материей и светом только гравитационно, то 21-сантиметровый свет, по сути, является единственным светом, излучаемым в этот период. Но самая популярная модель темной материи включает частицы, известные как вимпы. Нейтральные частицы темной материи намного тяжелее, чем частицы обычной материи, такие как протоны и электроны. В некоторых частицах темной материи эти вимпы иногда распадаются на обычную материю, создавая всплеск энергичных позитронов и электронов или протонов и антипротонов. Если это так, то эти энергичные частицы распада будут взаимодействовать с 21-сантиметровым светом.
Основываясь на наблюдениях космического микроволнового фона и других исследованиях, мы знаем, что вимпы будут иметь очень длительный период полураспада. До сих пор мы не видели никаких свидетельств распада темной материи, а это означает, что либо вимпы не существуют, либо их период полураспада намного превышает триллион лет. Новое исследование показывает, что даже если бы период полураспада вимпов был в тысячу раз больше, HERA смогла бы обнаружить его влияние на раннюю 21-сантиметровую линию. И у него будет достаточно данных, чтобы сделать это за 1000 часов наблюдения.
Даже если HERA не обнаружит никаких свидетельств распада темной материи, это все равно будет большим шагом вперед. Его ограничения на период полураспада темной материи будут достаточно сильными, чтобы исключить некоторые модели WIMP и отсеять диапазон моделей.
Ссылка: Факкинетти, Гаэтан и др. «Чувствительность сигнала 21 см к распаду темной материи». Препринт arXiv arXiv:2308.16656 (2023).
