Поиск телескопом разгадки распада темной материи

Водород — это не просто самый распространенный элемент Вселенной, это окно в глубокие тайны космоса. Водород составляет более 90% атомов Вселенной, его количество в десятки раз превосходит количество атомов гелия и в сотни раз — всех других элементов. Этот вездесущий элемент проявляет себя повсюду — от наших бескрайних океанов до первозданных территорий Вселенной. Такая вездесущность — благо для астрономов, поскольку нейтральный водород излучает тонкую эмиссионную линию радиоизлучения, которую принято называть H I водородом или 21-сантиметровой линией.

Структура водорода — один электрон, связанный с единственным протоном, — может иметь два варианта выравнивания. Первый, когда спины совпадают, представляет собой незначительно повышенное энергетическое состояние по сравнению с противоположным выравниванием. Это различие позволяет электронам менять свой спин, испуская при этом фотон. Примечательно, что водород достигает этого без применения экстремальных температур или ионизации, что обеспечивает постоянное излучение 21-сантиметрового радиоизлучения во всех регионах, богатых водородом.

Космическая роль водорода в понимании темной материи

Специфика длины волны эмиссионной линии становится инструментом для вывода относительного движения водорода и космологического красного смещения. Одно из первых применений этого метода стало решающим для Веры Рубин, поскольку оно позволило пролить свет на существование темной материи, оценив движение водорода в Млечном Пути и его соседних галактиках. В настоящее время исследователи предполагают, что эта эмиссионная линия может стать первым конкретным доказательством существования частиц темной материи.

Последние исследования, доступные в настоящее время на платформе препринтов arXiv, раскрывают потенциал Массива реионизации водорода (HERA). Этот радиотелескоп, расположенный в Южной Африке, позволяет заглянуть в юность Вселенной, наблюдая за ее ранним водородом.

После активации HERA призвана составить схему экспансивной структуры водорода в самые темные и ранние эпохи Вселенной — период, отмеченный остаточным свечением Большого взрыва и появлением небесных тел. На этом этапе доминировала неуловимая темная материя, дополняемая теплыми газовыми облаками водорода.

ВИМПы: загадка внутри загадки

Если темная материя строго придерживается нейтральной позиции, испытывая лишь гравитационное влияние материи и света, то 21-сантиметровое излучение остается единственным источником света этой эпохи. Однако преобладающие теории темной материи часто обращают внимание на слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs).

Эти нейтральные частицы темной материи превосходят обычные частицы материи, такие как протоны и электроны. В редких случаях ОМП могут распадаться на обычную материю, создавая всплески электронов, позитронов, протонов или антипротонов. Эти результирующие частицы, если они присутствуют, неизменно взаимодействуют с 21-сантиметровым излучением.

Наши представления, основанные на наблюдениях космического микроволнового фона, указывают на то, что ОМП обладают невероятно длительным периодом распада. Отсутствие наблюдаемого распада темной материи предполагает практически полное отсутствие ВИМПов или немыслимо большой период их полураспада. Однако данное исследование показывает, что даже при продолжительности жизни, превышающей наши текущие оценки в тысячи раз, HERA может обнаружить свое влияние на раннюю Вселенную всего за 1000 часов наблюдений.

Наблюдения HERA, независимо от того, будут ли они окончательными или нет, сулят монументальные достижения. Ее способность тщательно исследовать долговечность темной материи может опровергнуть некоторые теории WIMP, что позволит нам лучше понять эту космическую загадку.