Hat eine dunkle Materie eine elektrische Ladung?

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Anonim

Astronomen haben ein neues Modell für das unsichtbare Material vorgeschlagen, das den größten Teil der Materie im Universum ausmacht. Sie haben untersucht, ob ein Teil der Dunklen Materie eine winzige elektrische Ladung haben kann.

"Sie haben von Elektroautos und E-Books gehört, aber jetzt sprechen wir über elektrische Dunkle Materie", sagte Julian Munoz von der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, der die Studie leitete, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde. "Diese elektrische Ladung ist jedoch auf der kleinsten Skala."

Munoz und sein Mitarbeiter, Avi Loeb vom Harvard-Smithsonian Center für Astrophysik (CfA) in Cambridge, Mass., Untersuchen die Möglichkeit, dass diese geladenen Teilchen der Dunklen Materie mit der normalen Materie durch die elektromagnetische Kraft interagieren.

Ihre neue Arbeit fügt sich in ein kürzlich bekannt gegebenes Ergebnis der "Experiment to Detect the Global EoR" (Epoch of Reionization) Signatur (EDGES) Kollaboration ein. Im Februar sagten Wissenschaftler aus diesem Projekt, dass sie die Radiosignatur der ersten Generation von Sternen und mögliche Beweise für die Interaktion zwischen dunkler Materie und normaler Materie entdeckt hätten. Einige Astronomen stellten die EDGES-Behauptung schnell in Frage. In der Zwischenzeit haben Munoz und Loeb bereits die theoretischen Grundlagen untersucht.

"Wir können mit unseren Forschungen eine grundlegende Physikgeschichte erzählen, egal wie Sie das EDGES-Ergebnis interpretieren", sagte Loeb, der Vorsitzende der Harvard-Astronomieabteilung. "Die Natur der Dunklen Materie ist eines der größten Rätsel in der Wissenschaft und wir müssen alle damit verbundenen neuen Daten nutzen, um sie anzugehen."

Die Geschichte beginnt mit den ersten Sternen, die ultraviolettes Licht ausstrahlen. Nach dem allgemein akzeptierten Szenario interagierte dieses UV-Licht mit kalten Wasserstoffatomen in Gas zwischen den Sternen und ermöglichte ihnen, die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), die übrig gebliebene Strahlung des Urknalls, zu absorbieren.

Diese Absorption hätte in diesem Zeitraum, der weniger als 200 Millionen Jahre nach dem Urknall stattfindet, zu einem Absinken der CMB-Intensität geführt. Das EDGES-Team behauptete, Beweise für diese Absorption von CMB-Licht zu finden, obwohl dies von anderen Wissenschaftlern noch unabhängig verifiziert werden muss. Die Temperatur des Wasserstoffgases in den EDGES-Daten beträgt jedoch etwa die Hälfte des erwarteten Werts.

"Wenn EDGES in dieser Zeit kälter als erwartet Wasserstoffgas gefunden hat, was könnte es erklären?" sagte Munoz. "Eine Möglichkeit ist, dass Wasserstoff von der dunklen Materie gekühlt wurde."

Zu der Zeit, wenn CMB-Strahlung absorbiert wird, hätten sich die mit der gewöhnlichen Materie assoziierten freien Elektronen oder Protonen mit ihren langsamsten möglichen Geschwindigkeiten bewegt (da sie später durch Röntgenstrahlen von den ersten schwarzen Löchern erhitzt wurden). Die Streuung geladener Teilchen ist am effektivsten bei niedrigen Geschwindigkeiten. Daher wären jegliche Wechselwirkungen zwischen normaler Materie und dunkler Materie während dieser Zeit am stärksten gewesen, wenn einige der Teilchen der dunklen Materie geladen sind. Diese Wechselwirkung würde dazu führen, dass das Wasserstoffgas abkühlt, weil die dunkle Materie kalt ist und möglicherweise eine Beobachtungssignatur wie die des EDGES-Projekts hinterlässt.

"Wir beschränken die Möglichkeit, dass die Teilchen der Dunklen Materie eine winzige elektrische Ladung - ein Millionstel der eines Elektrons - durch messbare Signale aus der kosmischen Morgendämmerung tragen", sagte Loeb. "Solche winzigen Ladungen sind selbst mit den größten Teilchenbeschleunigern nicht zu beobachten."

Nur geringe Mengen dunkler Materie mit schwacher elektrischer Ladung können sowohl die EDGES-Daten erklären als auch Unstimmigkeiten mit anderen Beobachtungen vermeiden. Wenn der größte Teil der dunklen Materie geladen ist, dann wären diese Teilchen von Regionen in der Nähe der Scheibe unserer eigenen Galaxie abgelenkt und daran gehindert worden, wieder einzudringen. Dies steht im Widerspruch zu Beobachtungen, die zeigen, dass sich große Mengen dunkler Materie nahe der Scheibe der Milchstraße befinden.

Wissenschaftler wissen aus Beobachtungen des CMB, dass sich Protonen und Elektronen im frühen Universum zu neutralen Atomen vereinigen. Nur ein kleiner Bruchteil dieser geladenen Teilchen, etwa eins zu ein paar Tausend, blieb frei. Munoz und Loeb erwägen die Möglichkeit, dass dunkle Materie in ähnlicher Weise gehandelt haben könnte. Die Daten von EDGES und ähnlichen Experimenten könnten die einzige Möglichkeit sein, die wenigen verbleibenden geladenen Teilchen nachzuweisen, da der größte Teil der dunklen Materie neutral wäre.

"Der brauchbare Parameterraum für dieses Szenario ist ziemlich eingeschränkt, aber wenn wir durch zukünftige Beobachtungen bestätigt werden, würden wir natürlich etwas Grundlegendes über die Natur der Dunklen Materie lernen, eines der größten Rätsel, die wir heute in der Physik haben", sagte Haravas Cora Dvorkin, der nicht an der neuen Studie beteiligt war.

Lincoln Greenhill von der CfA testet derzeit den Beobachtungsanspruch des EDGES-Teams. Er leitet das Large Aperture Experiment zur Entdeckung des Dark Ages (LEDA) Projekts, welches das Long Wavelength Array in Owens Valley California und Socorro, New Mexico, verwendet.

Ein Papier, das diese Ergebnisse beschreibt, erscheint in der Zeitschrift Nature vom 31. Mai 2018.

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