▲艺术想象图展示了宇宙演化以左边的大爆炸开始，之后出现宇宙微波背景辐射。第一代恒星的出现终结了宇宙黑暗时期，随后是星系的形成。
天文学家为宇宙物质中的大多数不可见物质提出了一个新模型。他们研究了一部分暗物质粒子是否会带有少量电荷。“你已经听说过电动汽车和电子书，但现在我们要讲讲带电暗物质。”位于马萨诸塞州剑桥的哈佛大学的Julian Munoz领导了这项研究，研究结果5月31日发表在《自然》杂志上。“然而，这种电荷是最小尺度上的。”
Munoz和他位于马萨诸塞州剑桥的哈佛-史密松天体物理中心（CfA）的合作者Avi Loeb 探索了这些带电暗物质粒子通过电磁力与普通物质相互作用的可能性。
他们的新工作与直接探测全局再电离时期信号（EDGES）项目最近公布的结果相吻合。今年二月份，来自EDGES项目的科学家宣称他们探测到了来自第一代恒星的射电特征，可能是暗物质和普通物质相互作用的证据。很快，一些天文学家对EDGES的结果表示质疑。与此同时，Munoz和Loeb开始研究其背后的理论基础。
“无论你怎么解释EDGES的结果，都可以用我们的研究描述一个基本物理图像。”哈佛天文系系主任Loeb说。“暗物质的性质是科学中最大的谜团之一，我们需要利用任何最新的数据来研究它。”
故事开始于发出紫外光的第一代恒星。根据普遍接受的图景，这些紫外光和恒星之间气体中冷的氢原子相互作用，使得它们可以吸收大爆炸留下的宇宙微波背景（CMB）辐射。这种吸收应该会导致大爆炸后不到2亿年的这一时期的CMB强度减弱。EDGES团队宣称探测到了CMB光的这种吸收，尽管这还需要其他科学家独立验证。然而，EDGES数据给出氢的温度只有预期值的一半。
“如果EDGES探测到了这一时期比预期更冷的氢，什么能解释它？”Munoz说。“一个可能性就是氢被暗物质冷却了。”
在微波背景辐射被吸收的那个时期，和普通物质相伴的任何自由电子或质子都以可能的最慢速度运动（因为它们随后被第一代黑洞的X射线加热）。带电粒子的散射在低速时最有效。所以，如果暗物质粒子带电，普通物质和暗物质在这一时期的任何相互作用都是最强的。这种相互作用可能导致氢冷却，因为暗物质是冷的。这可能产生和EDGES项目所宣称的类似的观测特征。
“我们通过来自宇宙黎明时期的可观测信号限制了暗物质粒子带有少量电荷（一个电子的百万分之一）的可能性。” Loeb说。“这么少量的电荷用最大的粒子加速器也无法观测。”
只有少量带有微弱电荷的暗物质在解释EDGES数据的同时又不和其他观测冲突。如果大部分暗物质带电，那么这些粒子会偏离银盘，不会进入银盘。这和观测相悖，观测表明大量暗物质位于银盘附近。
通过对微波背景的观测，科学家们了解到，早期宇宙中的质子和电子复合形成中性原子。只有一小部分带电粒子，大约几千分之一，保持自由。Munoz和Loeb考虑暗物质可能也类似。来自EDGES和类似实验的数据可能是唯一能探测到少量剩余带电粒子的方法，大部分暗物质是中性的。
“这种图景可能的参数空间非常有限，但如果被未来的观测证实，我们当然能了解暗物质的一些基本性质。这是今天物理学中最大的未解之谜之一。”没有参与这项新研究的哈佛的Cora Dvorkin说。
同样来自CfA的Lincoln Greenhill现在正在检验EDGES项目组的结果。他领导了探测黑暗时期大口径项目 (LEDA)。这个项目利用了加利福尼亚州欧文斯谷和新墨西哥州索科罗的长波长阵列（Long Wavelength Array）。
编译：钱磊 审稿：阿淼
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