暗物質能否解釋「第一顆星」的異常信號？

關於最近的大新聞的介紹可以看下我的上一篇文章

Rennan Barkana 等人在之前的論文中說明，EDGE觀測到的「宇宙黎明」的21cm信號的吸收峰強度顯示氣體的降溫過程比理論計算的結果要快，並據此認為暗物質可能參與了這段時期的氣體冷卻過程。近日他們又在arxiv上投了關於最新的計算結果的論文。文中他們主要討論了三種可能的暗物質參與這個冷卻過程的模型，而計算結果顯示主流的暗物質模型並不足以解釋這個過程。

一般而言，暗物質要和普通物質發生熱交換，就需要暗物質能和普通物質發生相互作用，而相互作用的強度一般可以用散射截面來表示。如果暗物質粒子符合相對論性量子場論的話，它的散射截面會與其速度的四次方v^4成反比，據此可以從EDGE的觀測結果中計算出足以使氣體溫度達到觀測降幅的散射截面與暗物質粒子質量，如下圖

得到了散射截面與質量方面的限制，作者把這些值放入不同的暗物質模型中與現有的粒子物理實驗結果作比較。主要考慮的模型有三種：

1. 暗物質粒子與中性氫原子之間存在第五種力。現有的關於第五種力的實驗已經把參數限制到很小的範圍，EDGE的結果並不落在這個範圍內，故排除。
2. 暗物質與電子質子間可以通過"hidden photon"相互作用，然而這個模型需要比之前的結果更大的散射截面，同樣與實驗結果不符。
3. 暗物質粒子可能攜帶有極微小的電荷從而能與其他粒子相互作用。這個理論看上去非常古怪，然而計算結果顯示，若1%的暗物質粒子帶有微小電荷（~10^-7電子電荷），則根據EDGE的觀測結果算出的散射截面並不與目前的實驗結果相悖，所以這是唯一有可能的暗物質模型解釋了。

總之這個看上去最奇怪的微電荷暗物質模型成為了最有可能的能解釋EDGE觀測結果的暗物質模型。好消息是這個圖上剩下的區域應該是不難被覆蓋到的，希望能很快出結果吧。

正巧的是昨天系裡做暗物質的博士生有講到他也在做微電荷暗物質模型的現象學。Q=10^-7算是一個可以接受的模型值，同時他目前的計算結果顯示如果這個模型成立，那應該在CMB極化譜里會產生比較顯著的效應減弱，在未來的觀測中也很有可能能證實/證偽這個理論。總之未來還有很多實驗和觀測去做來限制這個理論。