Czy ciemna materia ma ładunek elektryczny?

Każdy z nas słyszał o samochodach elektrycznych czy e-bookach (elektrycznych książkach). Teraz jednak przyszedł czas, aby porozmawiać o elektrycznej ciemnej materii.

Astronomowie zaproponowali nowy model niewidzialnej materii, która jest składnikiem większości materii we Wszechświecie. Badali oni, czy jakiś ułamek cząstek ciemnej materii może mieć ładunek elektryczny.

Julian Munoz z Harvard University w Cambridge oraz jego współpracownik, Avi Loeb z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) w Cambridge, Massachusetts, badają możliwość, że te naładowane cząsteczki ciemnej materii oddziałują ze zwykłą materią poprzez siłę elektromagnetyczną.

Ich praca łączy się z niedawno ogłoszonymi wynikami z Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization), w skrócie (EDGES). W lutym b.r. naukowcy z tego projektu powiedzieli, że wykryli znaczniki radiowe z gwiazd pierwszej generacji oraz możliwe dowody oddziaływania pomiędzy zwykłą i ciemną materią. Niektórzy z astronomów szybko zakwestionowali twierdzenie EDGES.

Dzięki badaniom Munoza oraz Loeba naukowcy są w stanie powiedzieć o historii podstawowej fizyki, niezależnie od tego, jak interpretowane są wyniki EDGES. Natura ciemnej materii jest jedną z największych tajemnic w nauce i trzeba użyć wszelkich nowych danych, aby to uchwycić.

Historia zaczyna się od pierwszych gwiazd, które emitowały promieniowanie ultrafioletowe (UV). Zgodnie z powszechnie przyjętym scenariuszem, światło to oddziaływało z atomami zimnego wodoru w gazie znajdującym się między gwiazdami i pozwalało im wchłonąć mikrofalowe promieniowanie tła (cosmic microwave background – CMB), promieniowanie pozostałe po Wielkim Wybuchu.

Taka absorpcja powinna doprowadzić do spadku intensywności CMB podczas okresu, który następuje mniej niż 200 mln lat po Wielkim Wybuchu. Zespół EDGES twierdził, że wykrywa dowody na pochłanianie światła CMB, choć musi to jeszcze zostać zweryfikowane przez innych naukowców. Jednak temperatura wodoru w danych EDGES ma wartość około połowy przewidywanej.

Jeżeli EDGES wykryło w tym okresie wodór chłodniejszy, niż przewidywany, to jedna z możliwości jest taka, że został on schłodzony przez ciemną materię.

W czasie, gdy CMB było absorbowane, wszelkie wolne elektrony czy protony związane ze zwykłą materią poruszałyby się z najwolniejszymi możliwymi prędkościami (od tego czasu były podgrzewane promieniowaniem X od pierwszych czarnych dziur). Rozpraszanie naładowanych cząstek jest najskuteczniejsze przy niskich prędkościach. Dlatego jakiekolwiek oddziaływania między zwykłą i ciemną materią w tym czasie byłyby najsilniejsze, gdyby niektóre cząsteczki ciemnej materii były naładowane elektrycznie. Oddziaływanie to spowodowałoby ochłodzenie wodoru, ponieważ ciemna materia jest zimna, potencjalnie pozostawiając sygnaturę obserwacyjną podobną do tej, o której mówi projekt EDGES.

Cząsteczki ciemnej materii niosą ze sobą niewielki ładunek elektryczny – równy jednej milionowej energii elektronu – poprzez mierzalne sygnały z kosmicznego początku. Tak małe ładunki nie są możliwe do zaobserwowania, nawet w największych akceleratorach cząstek.

Tylko niewielkie ilości ciemnej materii o słabym ładunku elektrycznym mogą wyjaśnić dane EDGES. Jeżeli większość ciemnej materii zostałaby naładowana, wówczas cząstki te zostałyby odchylone od regionów położonych blisko dysku naszej własnej Galaktyki, co uniemożliwiłoby ponowne przedostanie się. Nie zgadza się to z obserwacjami pokazującymi, że duże ilości ciemnej materii znajdują się blisko dysku Drogi Mlecznej.

Naukowcy wiedzą z obserwacji CMB, że protony i elektrony połączyły się we wczesnym Wszechświecie, tworząc neutralne atomy. Tylko niewielka część tych naładowanych cząstek, ok. jednej na kilka tysięcy, pozostała wolna. Munoz i Loeb rozważają możliwość, że ciemna materia działa w podobny sposób. Dane z EDGES oraz podobne eksperymenty mogą być jedynym sposobem na wykrycie kilku pozostałych naładowanych cząstek, ponieważ większość ciemnej materii byłaby neutralna.

Lincoln Greenhill z CfA testuje obecnie twierdzenie obserwacyjne zespołu EDGES. Kieruje projektem LEDA (Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages), który wykorzystuje Long Wavelength Array w Owen’s Valley w Kalifornii oraz Socorro w Nowym Meksyku.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Center for Astrophysics

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.