/КРОСС/ Водородът е най-разпространеният елемент във Вселената. С голяма разлика. Над 90% от атомите във Вселената са водородни. Това е десет пъти повече от атомите на хелия и сто пъти повече от всички останали елементи, взети заедно. Той е навсякъде - от водата в океаните до най-ранните етапи на Вселената. За щастие на астрономите целият този неутрален водород може да излъчва точно определена слаба емисионна линия на радиоизлъчване.

Тя е известна като линията H I на водорода или 21-сантиметровата линия. Водородът се състои от един електрон, свързан с един протон. Когато спиновете им са насочени еднакво, водородът има малко повече енергия, отколкото когато спиновете им са насочени противоположно. Затова електронът може да извърши обръщане на спина и да освободи малко енергия под формата на фотон. Не е необходимо водородът да бъде прегрят или йонизиран, за да направи това. Това може да се случи спонтанно. Следователно навсякъде, където има облаци от водород, можете да сте сигурни, че те излъчват радиоизлъчване на 21 сантиметра.

Обръщане на спина в неутралния водород
Тъй като емисионната линия има много специфична дължина на вълната, можем да я използваме за измерване на относителното движение или космологичното червено отместване на водорода. Едно от първите приложения на този метод бе измерването на движението на водорода в Млечния път и в други близки галактики, което позволи на Вера Рубин да открие тъмната материя. Сега ново изследване показва как една 21-сантиметрова линия може да ни даде първото доказателство за съществуването на частици тъмна материя.

Изследването се фокусира върху радиотелескопа Hydrogen Epoch of Reionisation Array (HERA), разположен в Южна Африка и особено подходящ за наблюдение на водорода в ранната Вселена. След като заработи, HERA ще картографира широкомащабната структура на водорода по време на космическите тъмни векове и космическата зора - времето между затихването на първичното огнено кълбо на Големия взрив и появата на първите звезди и галактики. През този период космосът е изпълнен с тъмна материя и топли облаци от водороден газ.

Ето как WIMP могат да се разпаднат
Ако тъмната материя е наистина неутрална и взаимодейства с материята и лъчението само гравитационно, то тогава 21-сантиметровото лъчение е по същество единственото лъчение, излъчвано през този период. Най-популярният модел на тъмната материя обаче включва частици, известни като WIMP. Неутралните частици на тъмната материя са много по-тежки от частиците на обикновената материя, като протоните и електроните. В някои частици на тъмната материя тези WIMP периодично се разпадат във вид на обикновена материя, създавайки взрив от енергийни позитрони и електрони или протони и антипротони. Ако това е наистина така, тези енергийни разпадащи се частици биха взаимодействали с 21-сантиметровото излъчване.

HERA ще позволи още по-точно определяне на продължителността на живота на частиците тъмна материя
Въз основа на наблюденията на космическия микровълнов фон и други изследвания знаем, че WIMP трябва да имат много дълъг период на полуразпад. Досега не сме видели доказателства за разпад на тъмната материя, което означава, че или WIMP не съществуват, или периодът им на полуразпад е много по-дълъг от един трилион години. Новото изследване показва, че дори ако WIMP-ите имаха хиляда пъти по-дълъг период на полуразпад, HERA щеше да може да открие влиянието им върху ранната 21-сантиметрова линия. И би имала достатъчно данни за това след около 1000 часа наблюдения.

Дори ако HERA не открие доказателства за разпад на тъмната материя, това все пак ще бъде голяма крачка напред. Нейните ограничения за времето на полуразпад на тъмната материя ще бъдат достатъчно силни, за да изключат някои модели на WIMP и да разширят обхвата на оставащите модели.