第一批恒星可能照亮了暗物质

科技工作者之家 2018-09-21

暗物质的性质是宇宙学中最长久的困惑之一。天文学家已经确定,暗物质是宇宙中物质的主要构成,但它们至今无法被辨认。最近,对“黑暗时代”之后宇宙黎明的观测,发现了一条可能的线索——涉及第一批恒星形成的时代。今年早些时候,研究人员报告了一个令人惊讶的强吸收信号,它来自被第一批恒星的光激活的气体。现在,一系列新的论文揭示,从这种意想不到的吸收中,可以推断出暗物质。例如,假设暗物质携带小电荷,使暗物质与普通物质产生弱相互作用,就可以解释这种吸收。


近一个世纪以来,科学家一直通过暗物质对可见物质和辐射的引力效应,来研究暗物质。这些观察证实了暗物质是宇宙的主要组成之一。例如,测得的宇宙微波背景(CMB)之各向异性表明,暗物质的总质量大约是普通物质(重子)的5倍。但是,各向异性并不是CMB中可能包含宇宙物质信息的唯一方面。CMB光子携带着在旅途中与之相遇的氢气的印记,这旅程始于大爆炸发生后40 万年。印迹信号是由于21 cm波长的CMB光子吸收,它对应于氢的超精细能级的电子跃迁。由于宇宙正在膨胀,上述吸收被红移至较长的波长,因此在特定波长上的观测,与过去的特定时间相对应。


在所谓的“黑暗时代”早期,氢气的吸收是最小的,因为处于超精细能级的布居与CMB接近于热平衡。然而,在宇宙黎明之初,宇宙大爆炸之后大约一亿年,吸收量预计会急剧增加。此时,来自第一批恒星的紫外线辐射开始激发氢原子,导致超精细能级布居数以这样一种方式(即反映气体温度的方式)发生漂移。因此,某一特定时期的21 cm 吸收强度,取决于相应的气体温度,更多的吸收发生在较冷的气体中。根据标准宇宙学模型,气体在宇宙黎明期间达到最低温度。此后,气体经过“再电离”,不再从CMB吸收21 cm 的光子。然而,与暗物质的相互作用,可以冷却或加热来自宇宙黎明的氢原子,产生与图中的预期不同的光谱。


作为宇宙黎明探测器的21 cm 信号。上图,显示了氢气演化的模拟,水平轴是时间,垂直轴是二维天空的一维投影。颜色表示21 cm线的亮度,蓝色代表吸收,红色代表发射。下图,显示了对全天光谱的预期,吸收发生在虚线以下,发射发生在虚线上方。由于宇宙红移,每个频率映射到氢气演化的特定时间。在早期,在所谓的“黑暗时代”,吸收能力相对较弱。但是,当恒星开始发光,它们的辐射帮助激活了21 cm的吸收,导致了一个大的吸收谷(以蓝色垂直带为标志)。最近的EDGES观测(Experiment to Detect the Global Epoch of reionization Signal,探测全天球再电离信号时代的实验)表明,这一吸收谷比预期的要深。之后,来自恒星和黑洞的辐射导致气体电离,最终关闭了21 cm信号


EDGES 提供了与红移21 cm 线对应的第一个天空平均光谱。数据显示,在波长为380 cm 的情况下,在78 MHz 的频率下,有一个吸收谷。这个谷的深度意味着,大约六分之一的CMB光子在这个频率附近被路途中间的氢吸收。这个深度比标准预测值大2 倍。如果暗物质质量小于质子质量的10 倍,就可以排除典型的暗物质候选物质类,即类似WIMP(弱相互作用大质量粒子)的暗物质。上述结果展示了宇宙黎明测量用于解决暗物质谜题的前景。即使是微弱的暗物质相互作用,通过移去或淀积能量来影响氢气, 也可以对21 cm 数据加以限制。21 cm 限制是对粒子加速器数据的补充,粒子加速器更适合探测较强的暗物质相互作用。


(中国科学院理化技术研究所 戴闻 编译自Abraham Loeb,Julián B. Muñoz. Physics,July 2,2018)


本文选自《物理》2018年第8期


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来源:cpsjournals 中国物理学会期刊网

原文链接:http://www.wuli.ac.cn/CN/abstract/abstract72866.shtml

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