Hidrojen evrende açık ara en bol bulunan elementtir. Evrendeki atomların %90’ından fazlası hidrojendir. Helyum atomlarının sayısının on katı, diğer tüm elementlerin toplamından yüz kat daha fazla. Okyanuslarımızdaki sulardan Kozmik Şafağın ilk bölgelerine kadar her yerdedir. Neyse ki gökbilimciler için tüm bu nötr hidrojen, zayıf bir radyo ışığı emisyon çizgisi yayabiliyor.
HI hidrojen çizgisi veya 21 santimetre çizgisi olarak bilinir. Hidrojen, tek bir protona bağlı tek bir elektrondan oluşur. Bu ikisinin dönüşleri aynı şekilde hizalandığında, hidrojen, dönüşlerin zıt yönlü olduğu duruma göre biraz daha yüksek bir enerjiye sahip olur. Böylece elektron bir dönüş değişimine maruz kalabilir ve bir ışık fotonu olarak bir miktar enerji açığa çıkarabilir. Bunu yapmak için hidrojenin aşırı ısıtılmasına veya iyonize edilmesine gerek yoktur. Kendiliğinden gerçekleşebilir. Yani nerede hidrojen bulutu varsa, onun 21 santimetrelik radyo ışığı yaydığından emin olabilirsiniz.
Emisyon çizgisi çok spesifik bir dalga boyuna sahip olduğundan, bunu hidrojenin göreceli hareketini veya kozmolojik kırmızıya kaymasını ölçmek için kullanabiliriz. Bu numaranın ilk kullanımlarından biri, Samanyolu’ndaki ve diğer yakın galaksilerdeki hidrojenin hareketini ölçmekti; bu, Vera Rubin’in karanlık maddeyi keşfetmesine olanak sağladı. Şimdi yeni bir çalışma, 21 santimetrelik çizginin bize karanlık madde parçacıklarının ilk kanıtını nasıl verebileceğini gösteriyor.
Ön baskı sunucusunda görünen çalışma arXivGüney Afrika’da özellikle erken evrendeki hidrojeni gözlemlemek için uygun olan bir radyo teleskopu olan Hidrojen Yeniden İyonizasyon Dizisi Dizisine (HERA) odaklanıyor.
HERA, çevrimiçi olduğunda, kozmik karanlık çağlar ve Büyük Patlama’nın ilksel ateş topunun solması ile ilk yıldızların ve galaksilerin ortaya çıkışı arasındaki zaman olan kozmik şafak dönemindeki hidrojenin büyük ölçekli yapısını haritalandıracak. Bu dönemde evren karanlık madde ve sıcak hidrojen gazı bulutlarıyla doluydu.
Eğer karanlık madde gerçekten nötrse ve yalnızca madde ve ışıkla çekimsel olarak etkileşime giriyorsa, o zaman 21 santimetrelik ışık temel olarak bu dönemde yayılan tek ışıktır. Ancak karanlık maddeye yönelik en popüler model, WIMP olarak bilinen parçacıkları içerir.
Nötr karanlık madde parçacıkları, proton ve elektron gibi normal madde parçacıklarından çok daha ağırdır. Bazı karanlık madde parçacıklarında, bu WIMP’ler zaman zaman düzenli maddeye bozunarak enerjik pozitron ve elektron ya da proton ve anti-proton patlamaları yaratıyor. Eğer durum böyleyse, o zaman bu enerjik bozunma parçacıkları 21 santimetrelik ışıkla etkileşime girecektir.
Kozmik mikrodalga arka planı gözlemlerine ve diğer çalışmalara dayanarak, WIMP’lerin çok uzun bir bozunma yarı ömrüne sahip olacağını biliyoruz. Şu ana kadar karanlık madde bozunmasına dair hiçbir kanıt görmedik; bu da ya WIMP’lerin var olmadığı ya da yarı ömürlerinin bir trilyon yıldan çok daha fazla olduğu anlamına geliyor. Bu yeni çalışma, WIMP’lerin yarı ömrü bin kat daha uzun olsa bile HERA’nın etkisini 21 santimetrenin başlarında tespit edebileceğini gösteriyor. Ve bunu 1000 saatlik gözlemden sonra yapabilecek yeterli veriye sahip olacak.
HERA, karanlık madde bozunmasına dair herhangi bir kanıt tespit etmese bile, bu yine de ileriye doğru atılmış büyük bir adım olacaktır. Karanlık madde yarı ömrüne ilişkin kısıtlamalar, bazı WIMP modellerini devre dışı bırakacak ve model yelpazesini ortadan kaldıracak kadar güçlü olacaktır.