Vodonik je daleko najzastupljeniji element u univerzumu. Više od 90% atoma u univerzumu je vodonik. Deset puta veći broj atoma helijuma i sto puta više od svih ostalih elemenata zajedno. Ima ga svuda, od vode u našim okeanima do najranijih regiona kosmičke zore. Na sreću astronoma, sav ovaj neutralni vodonik može da emituje slabu emisionu liniju radio svetlosti.
Poznata je kao linija vodonika H I, ili linija od 21 centimetar. Vodonik se sastoji od jednog elektrona vezanog za jedan proton. Kada su spinovi ova dva poređani na isti način, vodonik ima nešto veću energiju nego kada su spinovi suprotno usmereni. Dakle, elektron može da prođe kroz okretanje i oslobodi malo energije kao foton svetlosti. Vodonik ne mora da bude pregrejan ili jonizovan da bi se to uradilo. Može se desiti spontano. Dakle, gde god postoje oblaci vodonika, možete biti sigurni da emituje radio svetlo od 21 centimetar.
Pošto emisiona linija ima veoma specifičnu talasnu dužinu, možemo je koristiti za merenje relativnog kretanja ili kosmološkog crvenog pomaka vodonika. Jedna od prvih upotreba ovog trika bila je merenje kretanja vodonika u Mlečnom putu i drugim obližnjim galaksijama, što je Veri Rubin omogućilo da otkrije tamnu materiju. Sada nova studija pokazuje kako bi linija od 21 centimetar mogla da nam pruži prve dokaze o česticama tamne materije.
Studija, koja se pojavljuje na serveru za pre-štampanje arXiv, fokusira se na vodoničnu epohu reionizacionog niza (HERA), koji je radio teleskop u Južnoj Africi posebno pogodan za posmatranje vodonika u ranom univerzumu.
Kada dođe na mrežu, HERA će mapirati veliku strukturu vodonika tokom kosmičkog mračnog doba i perioda kosmičke zore, što je vreme između bledenja prvobitne vatrene lopte Velikog praska i pojave prvih zvezda i galaksija. Tokom ovog perioda kosmos je bio ispunjen tamnom materijom i toplim oblacima vodoničnog gasa.
Ako je tamna materija zaista neutralna i samo gravitaciono reaguje sa materijom i svetlom, onda je svetlost od 21 centimetar u osnovi jedino svetlo koje se emituje tokom ovog perioda. Ali najpopularniji model za tamnu materiju uključuje čestice poznate kao VIMP.
Neutralne čestice tamne materije su mnogo teže od čestica obične materije kao što su protoni i elektroni. U nekim česticama tamne materije, ovi VIMP-ovi se povremeno raspadaju u običnu materiju, stvarajući nalet energetskih pozitrona i elektrona, ili protona i antiprotona. Ako je to slučaj, onda bi ove energetske čestice raspadanja stupile u interakciju sa svetlošću od 21 centimetar.
Na osnovu posmatranja kosmičke mikrotalasne pozadine i drugih studija, znamo da bi VIMP-ovi imali veoma dugo vreme poluraspada. Do sada nismo videli nikakve dokaze o raspadanju tamne materije, što znači da ili VIMP-ovi ne postoje ili je njihov poluživot mnogo duži od triliona godina. Ova nova studija pokazuje da čak i kada bi VIMP-ovi imali vreme poluraspada hiljadu puta duže, HERA bi bila u stanju da otkrije svoj efekat na ranoj liniji od 21 centimetar. I imao bi dovoljno podataka da to uradi u roku od 1.000 sati posmatranja.
Čak i ako HERA ne otkrije nikakve dokaze raspadanja tamne materije, to bi ipak bio veliki korak napred. Njegova ograničenja poluraspada tamne materije bila bi dovoljno jaka da isključe neke modele VIMP-a i da probiju raspon modela.
