Jahrzehntelang galt die vorherrschende Theorie, dass dunkle Materie – die unsichtbare Substanz, die etwa 85 % der Masse des Universums ausmacht – unmittelbar nach dem Urknall „kalt“ war. Das bedeutet, dass sich seine Bestandteile langsam genug bewegten, um durch die Schwerkraft zusammenzuklumpen und die Galaxien und größeren kosmischen Strukturen zu bilden, die wir heute beobachten. Neue Forschungsergebnisse stellen diese Annahme in Frage und deuten darauf hin, dass dunkle Materie ursprünglich unglaublich heiß gewesen sein könnte und sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegte, bevor sie ausreichend abkühlte, um die Bildung von Galaxien zu ermöglichen.
Der Wandel im Verständnis
Die von Forschern der University of Minnesota Twin Cities und der Universit’e Paris-Saclay durchgeführte Studie legt nahe, dass sich dunkle Materie vom hochenergetischen Plasma des frühen Universums „entkoppelt“ haben könnte, während sie sich noch ultrarelativistisch bewegte – also mit extremer Geschwindigkeit. Dieses Szenario erweitert das Spektrum möglicher Verhaltensweisen von Teilchen der Dunklen Materie und öffnet möglicherweise Türen zu neuen experimentellen und beobachtenden Möglichkeiten.
Der Schlüssel liegt in der Zeit der Wiedererwärmung nach der schnellen Expansion (Inflation) des Universums. Beim Wiedererhitzen wird die Energie aus der Inflation in eine heiße Mischung aus Partikeln und Strahlung umgewandelt. Unter bestimmten Bedingungen demonstrieren die Forscher, dass die zu diesem Zeitpunkt entstandene Dunkle Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit entstanden sein könnte, sich aber dennoch ausreichend abgekühlt hätte, um der großräumigen Struktur des Universums zu entsprechen.
Warum das wichtig ist
Das Modell der „kalten dunklen Materie“ ist seit langem von zentraler Bedeutung für unser Verständnis der Kosmologie. Wenn diese neuen Erkenntnisse zutreffen, könnten sie unsere Suche nach dunkler Materie selbst neu gestalten. Derzeitige Entdeckungsbemühungen basieren auf verschiedenen Methoden – Teilchenbeschleunigern, unterirdischen Detektoren und astrophysikalischen Beobachtungen – alle basieren auf der Idee, dass sich Teilchen dunkler Materie relativ langsam bewegen.
Diese Nuance wirft auch tiefere theoretische Fragen zu den grundlegenden Eigenschaften der Dunklen Materie und ihrer Rolle in der kosmischen Entwicklung auf.
„Dunkle Materie ist bekanntermaßen rätselhaft“, sagte Stephen Henrich, ein Doktorand an der University of Minnesota. „Eines der wenigen Dinge, die wir darüber wissen, ist, dass es kalt sein muss … Unsere jüngsten Ergebnisse zeigen, dass dies nicht der Fall ist; tatsächlich kann dunkle Materie bei ihrer Entstehung glühend heiß sein, aber noch Zeit zum Abkühlen haben, bevor sich Galaxien zu bilden beginnen.“
Das Paradox der „heißen“ Dunklen Materie
Historisch gesehen wurde die Idee der „heißen dunklen Materie“ – Teilchen, die sich zu schnell bewegen, um effizient Strukturen zu bilden – verworfen. Das massearme Neutrino, einst ein Hauptkandidat, wurde vor Jahrzehnten ausgeschlossen, da es dazu neigt, galaktische Strukturen auszulöschen, anstatt sie zu säen.
Die neue Studie legt jedoch nahe, dass dunkle Materie, wenn sie während der chaotischen Aufheizphase des Urknalls entstanden wäre, ausreichend abgekühlt sein könnte, um als „kalte dunkle Materie“ zu fungieren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für zuvor verworfene Partikelkandidaten.
Zukünftige Auswirkungen
Die Ergebnisse des Teams, veröffentlicht in Physical Review Letters, bieten eine neue Perspektive, um die frühesten Momente des Universums zu betrachten. Wenn sie sich bestätigen, könnten sie ein tieferes Verständnis der Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall ermöglichen und unsere Suche nach der schwer fassbaren Substanz, die den Kosmos formt, verfeinern.
Die Arbeit des Forschungsteams könnte Wissenschaftlern einen Zugang zur Geschichte des Universums ganz in der Nähe des Urknalls ermöglichen.
Die Studie trägt den Titel: Ultrarelativistic Freeze-Out: Eine Brücke von WIMPs zu FIMPs. Physik. Rev. Lett 135, 221002; doi: 10.1103/zk9k-nbpj
