Bærer noget mørkt stof en elektrisk ladning?

Astronomer har foreslået en ny model for det usynlige materiale, der udgør det meste af stoffet i universet. De har undersøgt, om en brøkdel af mørkt stofpartikler kan have en lille elektrisk ladning.

"Du har hørt om elbiler og e-bøger, men nu taler vi om elektrisk mørkt stof, " sagde Julian Munoz fra Harvard University i Cambridge, Masse., der ledede undersøgelsen, der er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur . "Imidlertid, denne elektriske ladning er på den allermindste skala."

Munoz og hans samarbejdspartner, Avi Loeb fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) i Cambridge, Masse., udforske muligheden for, at disse ladede mørkt stof partikler interagerer med normalt stof ved den elektromagnetiske kraft.

Deres nye arbejde hænger sammen med et nyligt annonceret resultat fra Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES)-samarbejdet. I februar, videnskabsmænd fra dette projekt sagde, at de havde opdaget radiosignaturen fra den første generation af stjerner, og mulige beviser for interaktion mellem mørkt stof og normalt stof. Nogle astronomer udfordrede hurtigt EDGES-påstanden. I mellemtiden Munoz og Loeb så allerede på det teoretiske grundlag, der ligger til grund for det.

"Vi er i stand til at fortælle en grundlæggende fysikhistorie med vores forskning, uanset hvordan du fortolker EDGES-resultatet, sagde Loeb, som er formand for Harvards astronomiafdeling. "Mørkt stofs natur er et af de største mysterier i videnskaben, og vi er nødt til at bruge alle relaterede nye data til at tackle det."

Historien begynder med de første stjerner, som udsender ultraviolet (UV) lys. Ifølge det almindeligt accepterede scenarie, dette UV-lys interagerede med kolde brintatomer i gas, der lå mellem stjernerne og satte dem i stand til at absorbere den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (CMB), reststrålingen fra Big Bang.

Denne absorption skulle have ført til et fald i intensiteten af ​​CMB i denne periode, som opstår mindre end 200 millioner år efter Big Bang. EDGES-holdet hævdede at opdage beviser for denne absorption af CMB-lys, selvom dette endnu ikke er uafhængigt verificeret af andre videnskabsmænd. Imidlertid, temperaturen af ​​brintgassen i EDGES-dataene er omkring halvdelen af ​​den forventede værdi.

"Hvis EDGES har opdaget køligere end forventet brintgas i denne periode, hvad kunne forklare det?" sagde Munoz. "En mulighed er, at brint blev afkølet af det mørke stof."

På det tidspunkt, hvor CMB-stråling absorberes, de frie elektroner eller protoner, der er forbundet med almindeligt stof, ville have bevæget sig med deres langsomst mulige hastigheder (da senere blev de opvarmet af røntgenstråler fra de første sorte huller). Spredning af ladede partikler er mest effektiv ved lave hastigheder. Derfor, enhver vekselvirkning mellem normalt stof og mørkt stof i løbet af denne tid ville have været den stærkeste, hvis nogle af de mørke stofpartikler er ladede. Denne interaktion ville få brintgassen til at afkøle, fordi det mørke stof er koldt, potentielt efterlade en observationssignatur som den, som EDGES-projektet hævder.

"Vi begrænser muligheden for, at mørkt stof partikler bærer en lille elektrisk ladning - svarende til en milliontedel af en elektron - gennem målbare signaler fra den kosmiske daggry, " sagde Loeb. "Sådanne små ladninger er umulige at observere selv med de største partikelacceleratorer."

Kun små mængder mørkt stof med svag elektrisk ladning kan både forklare EDGES-dataene og undgå uenighed med andre observationer. Hvis det meste af det mørke stof er opladet, så ville disse partikler være blevet afbøjet væk fra områder tæt på disken i vores egen galakse, og forhindret i at komme ind igen. Dette er i modstrid med observationer, der viser, at store mængder mørkt stof er placeret tæt på Mælkevejens skive.

Forskere ved fra observationer af CMB, at protoner og elektroner kombinerede i det tidlige univers for at danne neutrale atomer. Kun en lille del af disse ladede partikler, omkring én ud af et par tusinde, forblev fri. Munoz og Loeb overvejer muligheden for, at mørkt stof kan have handlet på lignende måde. Dataene fra EDGES, og lignende eksperimenter, kan være den eneste måde at opdage de få resterende ladede partikler, da det meste af det mørke stof ville være neutralt.

"Den levedygtige parameterplads for dette scenarie er ret begrænset, men hvis det bekræftes af fremtidige observationer, selvfølgelig ville vi lære noget grundlæggende om mørkt stofs natur, en af ​​de største gåder, vi har inden for fysik i dag, " sagde Harvards Cora Dvorkin, som ikke var involveret i den nye undersøgelse.

Lincoln Greenhill også fra CfA tester i øjeblikket EDGES-holdets observationskrav. Han leder projektet Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA), som bruger Long Wavelength Array i Owen's Valley Californien og Socorro, Ny mexico.

Et papir, der beskriver disse resultater, vises den 31. maj, 2018-udgave af tidsskriftet Natur .