Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Bei weitem. Mehr als 90 % der Atome im Universum bestehen aus Wasserstoff. Zehnmal so viele wie Heliumatome und hundertmal mehr als alle anderen Elemente zusammen. Es ist überall, vom Wasser in unseren Ozeanen bis zu den frühesten Regionen der kosmischen Morgenröte. Zum Glück für die Astronomen kann all dieser neutrale Wasserstoff eine schwache Emissionslinie von Radiolicht aussenden.
Man nennt sie die H I-Wasserstofflinie oder die 21-Zentimeter-Linie. Wasserstoff besteht aus einem einzelnen Elektron, das an ein einzelnes Proton gebunden ist. Wenn die Spins dieser beiden gleich ausgerichtet sind, hat Wasserstoff eine etwas höhere Energie als wenn die Spins entgegengesetzt ausgerichtet sind. So kann das Elektron einen Spin-Flip vollziehen und ein wenig Energie in Form eines Lichtphotons abgeben. Der Wasserstoff muss dazu nicht überhitzt oder ionisiert werden. Es kann spontan geschehen. Wo immer es also Wasserstoffwolken gibt, kann man sicher sein, dass sie 21-Zentimeter-Radiolicht aussenden.
Da die Emissionslinie eine ganz bestimmte Wellenlänge hat, können wir sie nutzen, um die relative Bewegung oder die kosmologische Rotverschiebung von Wasserstoff zu messen. Eine der ersten Anwendungen dieses Tricks war die Messung der mIn einigen Teilchen der dunklen Materie zerfallen diese WIMPs gelegentlich in normale Materie und erzeugen dabei einen Ausbruch von energiereichen Positronen und Elektronen oder Protonen und Antiprotonen. Wenn das der Fall ist, dann würden diese energetischen Zerfallsteilchen mit dem 21-Zentimeter-Licht wechselwirken.
Aufgrund von Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und anderen Studien wissen wir, dass WIMPs eine sehr lange Zerfallshalbwertszeit haben. Wir haben bisher keine Beweise für den Zerfall dunkler Materie gesehen, was bedeutet, dass es entweder keine WIMPs gibt oder ihre Halbwertszeit viel länger als eine Billion Jahre ist. Diese neue Studie zeigt, dass HERA selbst bei einer tausendfach längeren Halbwertszeit von WIMPs in der Lage wäre, ihre Auswirkungen auf die frühe 21-Zentimeter-Linie zu erkennen. Und es würde über genügend Daten verfügen, um dies innerhalb von 1.000 Stunden nach der Beobachtung zu tun.
Selbst wenn HERA keine Anzeichen für den Zerfall der dunklen Materie nachweisen kann, wäre dies ein großer Schritt nach vorn. Seine Erkenntnisse über die Halbwertszeit der dunklen Materie würden ausreichen, um einige WIMP-Modelle auszuschließen und die Palette der Modelle zu verkleinern.
Referenz: Facchinetti, Gaétan, et al. “21cm signal sensitivity to dark matter decay.
