圖說：藝術想象圖展示了宇宙演化以左邊的大爆炸開始，之後出現宇宙微波背景輻射。第一代恆星的出現終結了宇宙黑暗時期，隨後是星系的形成。
天文學家為宇宙物質中的大多數不可見物質提出了一個新模型。他們研究了一部分暗物質粒子是否會帶有少量電荷。“你已經聽說過電動汽車和電子書，但現在我們要講講帶電暗物質。”位於馬薩諸塞州劍橋的哈佛大學的Julian Munoz領導了這項研究，研究結果5月31日發表在《自然》雜誌上。“然而，這種電荷是最小尺度上的。”
Munoz和他位於馬薩諸塞州劍橋的哈佛-史密松天體物理中心（CfA）的合作者Avi Loeb 探索了這些帶電暗物質粒子通過電磁力與普通物質相互作用的可能性。
他們的新工作與直接探測全局再電離時期信號（EDGES）項目最近公佈的結果相吻合。今年二月份，來自EDGES項目的科學家宣稱他們探測到了來自第一代恆星的射電特徵，可能是暗物質和普通物質相互作用的證據。很快，一些天文學家對EDGES的結果表示質疑。與此同時，Munoz和Loeb開始研究其背後的理論基礎。
“無論你怎麼解釋EDGES的結果，都可以用我們的研究描述一個基本物理圖像。”哈佛天文繫系主任Loeb說。“暗物質的性質是科學中最大的謎團之一，我們需要利用任何最新的數據來研究它。”
故事開始於發出紫外光的第一代恆星。根據普遍接受的圖景，這些紫外光和恆星之間氣體中冷的氫原子相互作用，使得它們可以吸收大爆炸留下的宇宙微波背景（CMB）輻射。這種吸收應該會導致大爆炸後不到2億年的這一時期的CMB強度減弱。EDGES團隊宣稱探測到了CMB光的這種吸收，儘管這還需要其他科學家獨立驗證。然而，EDGES數據給出氫的溫度只有預期值的一半。
“如果EDGES探測到了這一時期比預期更冷的氫，什麼能解釋它？”Munoz說。“一個可能性就是氫被暗物質冷卻了。”
在微波背景輻射被吸收的那個時期，和普通物質相伴的任何自由電子或質子都以可能的最慢速度運動（因為它們隨後被第一代黑洞的X射線加熱）。帶電粒子的散射在低速時最有效。所以，如果暗物質粒子帶電，普通物質和暗物質在這一時期的任何相互作用都是最強的。這種相互作用可能導致氫冷卻，因為暗物質是冷的。這可能產生和EDGES項目所宣稱的類似的觀測特徵。
“我們通過來自宇宙黎明時期的可觀測信號限制了暗物質粒子帶有少量電荷（一個電子的百萬分之一）的可能性。” Loeb說。“這麼少量的電荷用最大的粒子加速器也無法觀測。”
只有少量帶有微弱電荷的暗物質在解釋EDGES數據的同時又不和其他觀測衝突。如果大部分暗物質帶電，那麼這些粒子會偏離銀盤，不會進入銀盤。這和觀測相悖，觀測表明大量暗物質位於銀盤附近。
通過對微波背景的觀測，科學家們瞭解到，早期宇宙中的質子和電子複合形成中性原子。只有一小部分帶電粒子，大約幾千分之一，保持自由。Munoz和Loeb考慮暗物質可能也類似。來自EDGES和類似實驗的數據可能是唯一能探測到少量剩餘帶電粒子的方法，大部分暗物質是中性的。
“這種圖景可能的參數空間非常有限，但如果被未來的觀測證實，我們當然能瞭解暗物質的一些基本性質。這是今天物理學中最大的未解之謎之一。”沒有參與這項新研究的哈佛的Cora Dvorkin說。
同樣來自CfA的Lincoln Greenhill現在正在檢驗EDGES項目組的結果。他領導了探測黑暗時期大口徑項目 (LEDA)。這個項目利用了加利福尼亞州歐文斯谷和新墨西哥州索科羅的長波長陣列（Long Wavelength Array）。
閱讀更多 科技工作者 的文章
