Przejdź do treści

Czy ciemna materia ma ładunek elektryczny?

ciemna materia

Każdy z nas słyszał o samochodach elektrycznych czy e-bookach (elektrycznych książkach). Teraz jednak przyszedł czas, by 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 Harvardu oraz jego współpracownik, Avi Loeb z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) w Cambridge w stanie 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 2018 roku naukowcy z tego projektu ogłosili wykrycie znaczników radiowych z gwiazd pierwszej generacji oraz możliwych dowodów oddziaływania pomiędzy zwykłą i ciemną materią. Niektórzy z astronomów szybko zakwestionowali twierdzenia EDGES. Dzięki badaniom Munoza i Loeba naukowcy są w stanie powiedzieć więcej 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), czyli promieniowanie pozostałe po Wielkim Wybuchu. Taka absorpcja powinna doprowadzić do spadku intensywności CMB podczas okresu, który następuje mniej niż 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zespół EDGES twierdził, że wykrył 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, co potencjalnie pozostawiłoby 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 im ponowne przedostanie się tam. 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, około 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, jeśli chodzi o ładunek elektryczny.

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 w Socorro w Nowym Meksyku.

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Więcej:
Does Some Dark Matter Carry an Electric Charge?

Źródło: Center for Astrophysics

Na zdjęciu: Wizja artystyczna pokazująca ewolucję Wszechświata, począwszy od Wielkiego Wybuchu (z lewej), po którym następuje CMB. Tworzenie się pierwszych gwiazd kończy kosmiczne ciemne wieki, prowadząc do powstawania galaktyk. Źródło: CfA/M. Weiss

Reklama