Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir. Tüm atomların %90’ından fazlasını oluşturur; helyum atomlarını on kat, diğer tüm elementlerin birleşimini ise yüz kat aşmaktadır. Hidrojen, okyanuslardaki sulardan Kozmik Şafağın en uzak bölgelerine kadar her yerde mevcuttur. Gökbilimciler, zayıf radyo emisyonları yayan nötr hidrojenle ilgileniyorlar.
21 santimetrelik çizgi, bir hidrojen elektronunun bir enerji durumundan diğerine geçişinin sonucudur. Bu, bir hidrojen molekülüne bağlı elektron ve protonun dönüşleri aynı yönde olduğunda meydana gelir. Dönüşler hizalanırsa hidrojenin enerjisi biraz daha yüksek olacaktır. Ancak spinler zıt yönlerde olduğunda elektron bir foton yayarak dönüşünü değiştirebilir. Bir fotonun emisyonu kendiliğinden gerçekleşebilir. Dolayısıyla hidrojen bulutları yoğunlaştığı her yerde 21 santimetre dalga boyunda radyo enerjisi yayarlar.
Nötr hidrojenin bu özelliği, gökbilimcilerin onun Evrendeki hareketini ve kozmolojik kırmızıya kaymasını incelemesine yardımcı olur. Samanyolu ve yakın galaksilerdeki hidrojenin hareketini incelemek için bu yöntemi kullanan ilk deneylerden birinde gökbilimci Vera Rubin, karanlık maddenin varlığını tespit edebildi. Şimdi yeni bir çalışma, 21 santimetrelik çizginin karanlık madde parçacıklarının varlığına dair ilk kanıtı sağlayabileceğini gösteriyor.
Çalışma, Güney Afrika’da bulunan ve Evrenin erken aşamalarında hidrojeni gözlemlemek için optimize edilmiş Hidrojen Yeniden İyonizasyon Dizisi (HERA) radyo teleskopunda gerçekleştirilecek. HERA, fırlatıldığında kozmik karanlık ve ilk yıldızların ve galaksilerin ortaya çıkışı sırasındaki hidrojenin büyük ölçekli yapısını haritalandıracak. O zamanlar Evren karanlık madde ve hidrojen bulutlarıyla doluydu.
Eğer karanlık madde gerçekten nötrse ve yalnızca madde ve ışıkla çekimsel olarak etkileşime giriyorsa, 21 santimetrelik çizgi Evrenin ilk aşamalarında yayılan tek ışık haline gelecektir. Bununla birlikte, karanlık maddenin en yaygın modeli, zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıklar (WIMP’ler) olarak bilinen parçacıkların varlığını içerir. Nötr karanlık madde parçacıkları, protonlar ve elektronlar gibi sıradan madde parçacıklarından önemli ölçüde daha ağırdır. Bazı durumlarda, karanlık madde parçacıkları sıradan maddeye bozunarak pozitronlar, elektronlar, protonlar ve antiprotonlar oluşturabilir. Bu durumda enerjik bozunum parçacıkları da 21 santimetre dalga boyuna sahip radyo aralığında etkileşime girecek.
Kozmik arka plan gözlemlerine ve diğer çalışmalara dayanarak WIMP parçacıklarının yarı ömrünün çok uzun olduğu bilinmektedir. Şu ana kadar karanlık madde bozunmasına dair herhangi bir kanıt bulamadık; bu da bu parçacıkların ya var olmadığı ya da bir trilyon yıldan fazla bir yarı ömre sahip olduğu anlamına gelebilir. Yeni araştırmalar, yarı ömrünün bin kat artmasıyla bile HERA’nın evrenin erken dönemlerindeki varlığını tespit edebileceğini gösteriyor. Bu sadece 1000 saatlik gözlem gerektirecektir.
HERA karanlık madde bozunmasına dair herhangi bir kanıt bulamasa bile HERA’dan elde edilen veriler bazı WIMP modellerini hariç tutabilir ve gruptaki model seçimini daraltabilir.