Водород - самый распространённый элемент во Вселенной. С большим отрывом. Более 90% атомов во Вселенной - это водород. Это в десять раз больше, чем атомов гелия, и в сто раз больше, чем всех остальных элементов вместе взятых. Он повсюду - от воды в наших океанах до самых ранних этапов существования Вселенной. К счастью для астрономов, весь этот нейтральный водород может испускать слабую эмиссионную линию радиоизлучения.
Она известна как линия водорода H I, или 21-сантиметровая линия. Водород состоит из одного электрона, связанного с одним протоном. Когда их спины направлены одинаково, водород обладает несколько большей энергией, чем когда спины направлены противоположно. Поэтому электрон может совершить переворот спина и высвободить немного энергии в виде фотона. Для этого водород не нужно перегревать или ионизировать. Это может произойти спонтанно. Поэтому везде, где есть облака водорода, можно быть уверенным, что они излучают 21-сантиметровое радиоизлучение.
Переворот спина у нейтрального водорода.
Поскольку эмиссионная линия имеет очень специфическую длину волны, мы можем использовать её 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 тёмную материю. Теперь новое исследование показывает, как 21-сантиметровая линия может дать нам первые свидетельства существования частиц тёмной материи.
Исследование посвящено работе радиотелескопа HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array), расположенного в Южной Африке и особенно подходящего для наблюдения за водородом в ранней Вселенной. После ввода в эксплуатацию HERA позволит составить карту крупномасштабной структуры водорода в период космических тёмных веков и космического рассвета - время между затуханием первобытного огненного шара Большого взрыва и появлением первых звёзд и галактик. В этот период космос был заполнен тёмной материей и тёплыми облаками газообразного водорода.
Как могут распадаться WIMP
Если тёмная материя действительно нейтральна и взаимодействует с веществом и излучением только гравитационно, то 21-сантиметровое излучение, по сути, является единственным, что излучается в этот период. Однако наиболее популярная модель тёмной материи включает в себя частицы, известные как WIMP. Нейтральные частицы тёмной материи намного тяжелее обычных частиц материи, таких как протоны и электроны. В некоторых частицах тёмной материи эти WIMP периодически распадаются на обычную материю, создавая всплеск энергичных позитронов и электронов или протонов и антипротонов. Если это так, то эти энергичные распадающиеся частицы будут взаимодействовать с 21-сантиметровым излучением.
HERA позволит ещё более точно определить время жизни частиц тёмной материи.
На основании наблюдений космического микроволнового фона и других исследований мы знаем, что WIMP должны иметь очень большой период полураспада. До сих пор мы не видели никаких свидетельств распада тёмной материи, что означает, что либо WIMP не существуют, либо их период полураспада намного больше триллиона лет. Новое исследование показывает, что даже если бы WIMP имели период полураспада в тысячу раз больше, HERA смогла бы обнаружить их влияние на раннюю 21-сантиметровую линию. И у неё было бы достаточно данных для этого в течение 1000 часов наблюдений.
Даже если HERA не обнаружит никаких признаков распада тёмной материи, это всё равно будет большим шагом вперёд. Её ограничения на период полураспада тёмной материи будут достаточно сильными, чтобы исключить некоторые модели WIMP и расширить диапазон моделей.
Источник новости: habr.com
