Posmatranje tamne materije u vreme kosmičke zore putem vodonikove spektralne linije na 21cm

Posle gotovo sto godina spekulisanja, predloga i potrage za tamnom materijom, fizičari sad znaju da ona trenutno čini oko 27% mase-energije univerzuma, sa količinom većom više od pet puta nego količina obične materije kao što su ljudi, okeani i egzoplanete.

Većina materije u univerzumu je tamna. U velikim razmerama, hladna je i ne sudara se ni sa čim što prepoznajemo, i stoga se naziva „hladna tamna materija“. Mnogi kandidati su predloženi za objašnjenje strukture univerzuma velikih razmera, ali nijedan nije potvrđen eksperimentima.

Preporučujemo

Međutim, u manjim razmerama – tamna materija može biti drugačija i ostavljati različite tragove, naročito na ranom univerzumu. Naravno, njih je teže posmatrati.

Barioni poput protona i neutrona postojali su i u ranom univerzumu i njihovi efekti se moraju razlikovati od bilo koje tamne materije koja je bila prisutna; i jedno i drugo bi uticalo na formiranje manjih struktura.

Mnogo neslaganja postoji na galaktičkim i subgalaktičkim distancama, i nepoznato ja da li se sva ta neslaganja mogu objasniti fizikom bariona uz zadržavanje scenarija hladne tamne materije. U dužinskim razmerama od jednog megaparseka ili manje i masenim razmerama manjim od 100 milijardi solarnih masa, pokazalo se da to nije lako.

Istraživači pod vođstvom danskog Univerziteta u Kopenhagenu su pokazali da postoji način da se otkrije tamna materija pomoću duboke linije crvenog pomaka u vodoničnom spektru, od prvih zvezda i galaksija koje su sad na dalekoj ivici univerzuma.

Neke ideje o tamnoj materiji pretpostavljaju da je u interakciji sa tamnim zračenjem, poznatim i kao tamni elektromagnetizam ili tamni fotoni. Dok se fotoni razmenjuju u elektromagnetnim silama, tamno zračenje bi posredovalo u interakcijama između čestica tamne materije.

Baš kao tamna materija, tamno zračenje ne bi ulazilo u interakciju sa drugim silama Standardnog modela, slabom silom i jakom silom. Ne zna se da li tamno zračenje postoji; jedan kandidat je sterilni neutrino, ako postoji.

Tamno zračenje je moglo zagrejati gusti rani univerzum, dok je vrelo tamno zračenje reagovalo sa tamnom materijom, povećavajući temperaturu. To zagrevanje je možda bilo dovoljno da velike koncentracije tamne materije formiraju „vence tamne materije“, hipotetičke oblasti u kojima je tamna materija gravitaciono vezana i odvojena od širenja unverzuma, vezana lokalno, šireći se kao celina, slično galaksijama i klasterima danas.

Ti venci bi se privremeno i uvek iznova opirali gravitacionim kolapsima, ciklusima takozvanih „tamnih akustičnih oscilacija“ – akustičnih zato što su fluktuacije u gustini, kao što su zvučni talasi fluktuacije u gustini vazduha ili nekog drugog fluida.

Ovi ciklusi tamne materije bi brzo nestali, ali bi prvo uticali na početak „kosmičke zore“ kad su se prve galaksije obične materije formirale iz primordijalnog gasa koji je uvučen u vence.

Istraživači su ispitivali koliko dobro se mogu izmeriti svojstva tamne materije pomoću spektra snage od 21cm pri z>10. „Z“ je crveni pomak koji astronomi koriste da označe koliko brzo se objekat ili region udaljava od nas zbog kosmičke ekspanzije, Doplerov efekat koji uključuje relativističke brzine. Region sa z=10 se udaljava brzinom od 99,8% brzine svetlosti od Zemlje.

Uslovi oko kosmičke zore uticali bi na 21-centimetarsku svetlost. Ta svetlost se emituje kad neutralni atom vodonika, sa jednim protonom i jednim elektronom, prelazi iz stanja kad obe čestice imaju spin u istom pravcu u stanje kad je spin elektrona suprotan nepromenjenom spinu protona.

U ranom dobu bi postojala neto apsorpcija (ili emisija) 21-centimetarskih fotona iz kosmičke mikrotalasne pozadine od neutralnih atoma vodonika u sredini između galaksija.

„Dakle, evolucija 21-centimetarskog signala (i globalno i fluktuacije) može poslužiti za izvođenje zaključaka o tamnoj materiji u malim razmerama“, kažu istraživači.

Upotrebili su efektivnu teoriju formiranja strukture koja omogućava da se formiranje kosmološke strukture odredi u bilo kom mikrofizičkom modelu tamne materije, i modele drugih fizičkih procesa da povežu 21-centrimetarski signal sa stopom gustine formiranja zvezda.

Konačni nalaz je da će radio-teleskopu HERA u Južnoafričkoj Republici biti potrebno skoro godinu i po dana posmatranja 21-centimetarske linije crvenog pomaka radi utvrđivanja da li tamne akustične oscilacije postoje i razlikovanja nekoliko modela tamnog modela.

(Telegraf Nauka/Phys.org)