Водород – самый распространённый элемент во Вселенной. Он составляет более 90% всех атомов, превосходя в десять раз атомы гелия и в сто раз все другие вместе взятые элементы. Водород присутствует повсюду – от воды в океанах до самых далёких регионов Космического Рассвета. Интерес астрономов составлет нейтральный водород, который может излучать слабую радиоэмиссию.

Линия 21 сантиметра — результат перехода электрона водорода с одного энергетического состояния на другое. Это происходит, когда спины электрона и протона, связанные водородной молекулой, ориентированы одинаково. В случае выравнивания спинов, энергия водорода будет чуть выше. Однако когда спины направлены в противоположных направлениях, электрон может изменить свой спин, испустив фотон. Выброс фотона может произойти спонтанно. Поэтому, где бы ни были сосредоточены облака водорода они излучают радиоэнергию с длиной волны 21 сантиметр.

Это свойство нейтрального водорода помогает астрономам изучать его движение во Вселенной и космологическое красное смещение. В одном из первых экспериментов с использованием этого метода исследования движения водорода в Млечном Пути и близлежащих галактиках астроном Вера Рубин смогла обнаружить присутствие тёмной материи. Теперь новое исследование показывает, что линия 21 сантиметра может предоставить первые доказательства существования частиц тёмной материи.

Радиотелескоп HERA. Источник: HERA Collaboration

Исследование будет проходить на радиотелескопе Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), расположенном в Южной Африке и оптимизированном для наблюдения водорода в ранние этапы Вселенной. После запуска HERA будет создавать карту крупномасштабной структуры водорода во времена космической темноты и появления первых звёзд и галактик. В это время Вселенная была наполнена тёмной материей и облаками водорода.

Если тёмная материя действительно нейтральна и взаимодействует только гравитационно с материей и светом, — линия 21 сантиметра становится единственным светом, излучаемым в ранние этапы Вселенной. Однако наиболее распространённая модель тёмной материи предполагает существование частиц, известных как слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). Нейтральные частицы тёмной материи значительно тяжелее обычных частиц материи, таких как протоны и электроны. В определённых случаях частицы тёмной материи могут распадаться, превращаясь в обычную материю, и создавая при этом позитроны, электроны, протоны и антипротоны. В таком случае энергичные частицы распада будут взаимодействовать и в радиодиапазоне с длиной волны 21 сантиметр.

На основе наблюдений космического фона и других исследований известно, что время полураспада частиц WIMP очень долгое. До сих пор мы не обнаружили никаких доказательств распада тёмной материи, что может означать, что эти частицы либо не существуют, либо их время полураспада превышает триллион лет. Новое исследование показывает, что даже при увеличении времени полураспада в тысячу раз, HERA сможет обнаружить его присутствие в ранней Вселенной. Для этого потребуется всего 1000 часов наблюдений.

Даже если HERA не обнаружит никаких доказательств распада тёмной материи, то данные, полученные от HERA, могут исключить некоторые модели WIMP и сузить выбор из группы моделей.