Vodik nije samo najrašireniji element svemira – on je i prozor u duboke misterije kozmosa. Čineći preko 90% svih atoma svemira, broj vodikovih atoma deset puta je veći od broja atoma helija te nadmašuje sve druge elemente za faktor od sto. Ovaj sveprisutni element manifestira se posvuda, od naših prostranih oceana do praiskonskih teritorija svemira. Njegova sveprisutnost je “blagoslov” za astronome jer neutralni vodik zrači suptilnom emisijskom linijom radijske svjetlosti, poznatom kao H I vodik ili 21-centimetarska linija.
Struktura vodika, jedan elektron privezan za jedan proton, može pokazivati dvije vrste usklađenosti. Jedna, gdje se spinovi (unutarnjim impulsima vrtnje) podudaraju, predstavlja blago povećano energetsko stanje u usporedbi s njihovim suprotnim usklađivanjem. Ta razlika omogućuje elektronima da promijene svoj spin, pri čemu ispuštaju foton. Značajno je da vodik to postiže bez potrebe za ekstremnim temperaturama ili ionizacijom, osiguravajući konzistentnu emisiju 21-centimetarske radijske svjetlosti kroz regije bogate vodikom.
Kozmička uloga vodika u razumijevanju tamne tvari
Specifičnost valne duljine emisijske linije postaje alat za dedukciju relativnog gibanja vodika i kozmološkog crvenog pomaka. Jedna od njezinih prvih primjena bila je ključna za Veru Rubin, jer je osvijetlila postojanje tamne tvari procjenjujući kretanje vodika unutar Mliječne staze i njenih galaktičkih susjeda. Ako pređemo na sadašnje vrijeme, istraživači predlažu da bi ova emisijska linija mogla otključati prvi konkretni dokaz o česticama tamne tvari.
Nedavna istraživanja, trenutno dostupna na predtiskovnoj platformi arXiv, ističu potencijal teleskopa Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA). Smješten u Južnoj Africi, ovaj radio teleskop je izvanredan u promatranju mladosti svemira, osmatrajući njegov rani vodik.
Po aktivaciji, HERA cilja kartirati prostranu strukturu vodika tijekom najmračnijih i najranijih razdoblja svemira – razdoblja obilježena preostalom svjetlošću Velikog praska i pojavom nebeskih tijela. Ova faza bila je dominirana neuhvatljivom tamnom tvari, dopunjena toplim oblacima vodikovog plina.
WIMPs: Zagonetka unutar zagonetke
Ako bi tamna tvar strogo zadržavala neutralni stav, samo gravitacijski utjecana materijom i svjetlošću, 21-centimetarska emisija ostaje jedini izvor svjetlosti iz tog razdoblja. Međutim, prevladavajuće teorije tamne tvari često ističu slabije interaktivne masivne čestice (WIMPs).
Ove neutralne entitete tamne tvari nadmašuju konvencionalne čestice tvari, poput protona i elektrona. U rijetkim prilikama, WIMPs bi se mogli raspadati u regularnu tvar, proizvodeći nalete elektrona, pozitrona, protona ili anti-protona. Ove rezultantne čestice, ako postoje, neizbježno bi interagirale s 21-centimetarskom emisijom.
Naše razumijevanje, utemeljeno na promatranjima kozmičke mikrovalne pozadine, nagovještava da WIMPs posjeduju nevjerojatno produženi vijek raspadanja. Nedostatak opaženog raspada tamne tvari implicira gotovo nepostojanje WIMPs-a ili nezamislivo dugačak poluživot. Ipak, ova istraživanja pokazuju da bi, čak i s vijekom trajanja koji nadmašuje naše trenutne procjene za tisuće, HERA mogao razaznati njegov utjecaj na rani svemir unutar samo 1.000 sati promatranja.
Promatranja HERA-e, bila ona zaključna ili ne, obećavaju monumentalne napretke. Njegova sposobnost da proučava trajanje tamne tvari mogla bi potencijalno opovrgnuti neke teorije o WIMP-ima, usavršavajući naše razumijevanje ove kozmičke zagonetke.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr
