Po desetiletí převládající teorie tvrdila, že temná hmota – neviditelná látka, která tvoří asi 85 % hmoty vesmíru – byla bezprostředně po velkém třesku „studená“. To znamená, že jeho základní částice se pohybovaly dostatečně pomalu, aby se vlivem gravitace shlukly dohromady a vytvořily galaxie a větší kosmické struktury, které dnes vidíme. Nový výzkum zpochybňuje tento předpoklad a naznačuje, že temná hmota mohla být původně neuvěřitelně horká, pohybovala se téměř rychlostí světla, než se dostatečně ochladila, aby položila základy pro formování galaxií.
Posun v porozumění
Studie vedená vědci z University of Minnesota-Twin Cities a Université Paris-Saclay naznačuje, že temná hmota se mohla „oddělit“ od vysokoenergetického plazmatu raného vesmíru, zatímco zůstala ultrarelativistická – pohybovala se extrémními rychlostmi. Tento scénář rozšiřuje rozsah možného chování částic temné hmoty a potenciálně otevírá nové experimentální a pozorovací cesty.
Klíč spočívá v období přehřívání po rychlé expanzi Vesmíru (inflaci). Během přehřátí se energie nafouknutí přeměnila na horkou směs částic a záření. Za určitých podmínek vědci ukazují, že temná hmota vytvořená během tohoto období by se mohla zrodit rychlostí blízkou rychlosti světla, ale dostatečně chladná, aby se přizpůsobila rozsáhlé struktuře vesmíru.
Proč je to důležité
Model „studené temné hmoty“ byl dlouho ústředním bodem našeho chápání kosmologie. Pokud se tato nová zjištění potvrdí, mohou změnit způsob, jakým pátráme po samotné temné hmotě. Současné detekční snahy se spoléhají na různé techniky – srážky částic, podzemní detektory a astrofyzikální pozorování – které všechny spoléhají na myšlenku, že částice temné hmoty se pohybují relativně pomalu.
Tato nuance také vyvolává hlubší teoretické otázky o základních vlastnostech temné hmoty a její roli v kosmickém vývoji.
“Temná hmota je notoricky záhadná,” řekl Steven Henrich, postgraduální student na University of Minnesota. “Jedna z mála věcí, které o ní víme, je, že by měla být studená… Naše nejnovější výsledky ukazují, že tomu tak není; ve skutečnosti může být temná hmota horká, když se zrodí, ale ještě má čas vychladnout, než se začnou tvořit galaxie.”
Paradox „horké“ temné hmoty
Historicky byla myšlenka „horké temné hmoty“ – částice pohybující se příliš rychle na to, aby efektivně vytvořily struktury – zamítnuta. Nízkohmotná neutrina, kdysi přední kandidát, byla před desítkami let vyloučena kvůli jejich tendenci zničit galaktické struktury spíše než je vytvářet.
Nový výzkum však naznačuje, že pokud by temná hmota vznikla během chaotické přehřívací fáze Velkého třesku, mohla se dostatečně ochladit, aby fungovala jako „studená temná hmota“. To znovu otevírá možnosti pro dříve odmítnuté kandidáty na částice.
Budoucí důsledky
Výsledky týmu, zveřejněné v Physical Review Letters, nabízejí nový pohled na nejranější okamžiky vesmíru. Pokud se potvrdí, mohli by odhalit hlubší pochopení podmínek, které existovaly bezprostředně po Velkém třesku a upřesnit naše pátrání po nepolapitelné látce, která utváří vesmír.
Práce výzkumného týmu by mohla vědcům umožnit přístup k historii vesmíru velmi blízko k velkému třesku.
Studie se jmenuje: Ultrarelativistic Freeze-Out: A Bridge from WIMPs to FIMPs. Phys. Rev. Lett 135, 221002; doi: 10.1103/zk9k-nbpj
