Astronomer har föreslagit en ny modell för det osynliga materialet som utgör det mesta i universum. De har studerat om en bråkdel av partiklar i mörk materia kan ha en liten elektrisk laddning.

"Du har hört talas om elbilar och e-böcker, men nu pratar vi om elektrisk mörk materia, "sa Julian Munoz från Harvard University i Cambridge, Massa., som ledde studien som har publicerats i tidskriften Natur . "Dock, denna elektriska laddning är på den minsta skalan. "

Munoz och hans medarbetare, Avi Loeb från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) i Cambridge, Massa., utforska möjligheten att dessa laddade partiklar i mörk materia interagerar med normal materia genom den elektromagnetiska kraften.

Deras nya arbete samsas med ett nyligen tillkännagivet resultat från Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES) -samarbete. I februari, forskare från detta projekt sa att de hade upptäckt radiosignaturen från den första generationen stjärnor, och möjliga bevis för interaktion mellan mörk materia och normal materia. Vissa astronomer utmanade snabbt EDGES -påståendet. Under tiden, Munoz och Loeb tittade redan på den teoretiska grund som låg till grund för den.

"Vi kan berätta en grundläggande fysikhistoria med vår forskning oavsett hur du tolkar EDGES -resultatet, "sa Loeb, som är ordförande för Harvard astronomiavdelning. "Mörk materiens natur är ett av de största mysterierna inom vetenskap och vi måste använda all relaterad ny data för att ta itu med den."

Historien börjar med de första stjärnorna, som avger ultraviolett (UV) ljus. Enligt det vanligt accepterade scenariot, detta UV -ljus interagerade med kalla väteatomer i gas som låg mellan stjärnorna och gjorde det möjligt för dem att absorbera den kosmiska mikrovågsbakgrundstrålningen (CMB), den överblivna strålningen från Big Bang.

Denna absorption borde ha lett till en minskning av CMB -intensiteten under denna period, som inträffar mindre än 200 miljoner år efter Big Bang. EDGES -teamet hävdade att de upptäckte bevis för denna absorption av CMB -ljus, även om detta ännu inte har verifierats oberoende av andra forskare. Dock, temperaturen på vätgasen i EDGES -data är ungefär hälften av det förväntade värdet.

"Om EDGES har upptäckt svalare vätgas än förväntat under denna period, vad kan förklara det? "sade Munoz." En möjlighet är att väte kyls av den mörka materien. "

Vid den tidpunkt då CMB -strålning absorberas, alla fria elektroner eller protoner som är associerade med vanlig materia skulle ha rört sig med sina långsammaste möjliga hastigheter (eftersom de senare upphettades av röntgenstrålar från de första svarta hålen). Spridning av laddade partiklar är mest effektivt vid låga hastigheter. Därför, någon interaktion mellan normal materia och mörk materia under denna tid skulle ha varit den starkaste om några av de mörka materialpartiklarna laddas. Denna interaktion skulle få vätgasen att svalna eftersom den mörka materien är kall, eventuellt lämna en observationssignatur som den som påstås av EDGES -projektet.

"Vi begränsar möjligheten att partiklar av mörk materia bär en liten elektrisk laddning - lika med en miljonedel av en elektron - genom mätbara signaler från den kosmiska gryningen, "sa Loeb." Sådana små laddningar är omöjliga att observera även med de största partikelacceleratorerna. "

Endast små mängder mörk materia med svag elektrisk laddning kan både förklara EDGES -data och undvika oenighet med andra observationer. Om det mesta av den mörka materien laddas, då hade dessa partiklar avböjts från områden nära skivan i vår egen galax, och hindras från att komma in igen. Detta strider mot observationer som visar att stora mängder mörk materia ligger nära skivan i Vintergatan.

Forskare vet från observationer av CMB att protoner och elektroner kombinerades i det tidiga universum för att bilda neutrala atomer. Endast en liten del av dessa laddade partiklar, ungefär en av några tusen, förblev gratis. Munoz och Loeb överväger möjligheten att mörk materia kan ha agerat på ett liknande sätt. Uppgifterna från EDGES, och liknande experiment, kan vara det enda sättet att upptäcka de få kvarvarande laddade partiklarna, eftersom det mesta av den mörka materien skulle vara neutralt.

"Det livskraftiga parameterutrymmet för detta scenario är ganska begränsat, men om det bekräftas av framtida observationer, naturligtvis skulle vi lära oss något grundläggande om den mörka materiens natur, ett av de största pussel som vi har i fysik idag, "sade Harvards Cora Dvorkin som inte var inblandad i den nya studien.

Lincoln Greenhill också från CfA testar för närvarande observationskravet från EDGES -teamet. Han leder projektet Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA), som använder Long Wavelength Array i Owen's Valley California och Socorro, New Mexico.

Ett papper som beskriver dessa resultat visas den 31 maj, 2018 års nummer av tidningen Natur .