Decennia lang was de heersende theorie van mening dat donkere materie – de onzichtbare substantie die grofweg 85% van de massa van het universum uitmaakt – ‘koud’ was in de onmiddellijke nasleep van de oerknal. Dit betekent dat de samenstellende deeltjes zich langzaam genoeg bewogen om door de zwaartekracht samen te klonteren, waardoor de sterrenstelsels en grotere kosmische structuren ontstonden die we vandaag de dag waarnemen. Nieuw onderzoek trekt deze veronderstelling in twijfel en suggereert dat donkere materie aanvankelijk ongelooflijk heet was en zich met bijna de lichtsnelheid voortbewoog voordat ze voldoende afkoelde om galactische vorming te bewerkstelligen.
De verschuiving in begrip
De studie, uitgevoerd door onderzoekers van de University of Minnesota Twin Cities en de Universit’e Paris-Saclay, suggereert dat donkere materie zich had kunnen ‘ontkoppelen’ van het hoogenergetische plasma van het vroege universum, terwijl het nog steeds ultrarelativistisch was – en zich met extreme snelheden voortbewoog. Dit scenario breidt het bereik van mogelijke gedragingen voor donkere materiedeeltjes uit, waardoor mogelijk deuren worden geopend naar nieuwe experimentele en observationele wegen.
De sleutel ligt in de periode van opwarming na de snelle uitdijing van het heelal (inflatie). Tijdens het opwarmen wordt de energie van het opblazen omgezet in een hete mix van deeltjes en straling. Onder specifieke omstandigheden tonen de onderzoekers aan dat de donkere materie die op dat moment ontstond met bijna-lichtsnelheden had kunnen ontstaan, maar nog steeds voldoende was afgekoeld om te passen bij de grootschalige structuur van het universum.
Waarom dit belangrijk is
Het ‘koude donkere materie’-model staat al lange tijd centraal in ons begrip van de kosmologie. Als deze nieuwe bevindingen standhouden, kunnen ze onze zoektocht naar donkere materie zelf opnieuw vormgeven. De huidige detectie-inspanningen zijn gebaseerd op verschillende methoden – deeltjesversnellers, ondergrondse detectoren en astrofysische waarnemingen – die allemaal gebaseerd zijn op het idee dat donkere materiedeeltjes relatief langzaam bewegen.
Deze nuance roept ook diepere theoretische vragen op over de fundamentele eigenschappen van donkere materie en de rol ervan in de kosmische evolutie.
“Donkere materie staat bekend als enigmatisch”, zegt Stephen Henrich, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Minnesota. “Een van de weinige dingen die we ervan weten is dat het koud moet zijn… Onze recente resultaten laten zien dat dit niet het geval is; in feite kan donkere materie roodgloeiend zijn als ze wordt geboren, maar ze heeft nog steeds de tijd om af te koelen voordat sterrenstelsels zich beginnen te vormen.”
De paradox van ‘hete’ donkere materie
Historisch gezien werd het idee van ‘hete donkere materie’ – deeltjes die te snel bewegen om efficiënt structuren te vormen – verworpen. Het neutrino met lage massa, ooit een belangrijke kandidaat, werd tientallen jaren geleden uitgesloten vanwege zijn neiging om galactische structuren weg te vagen in plaats van ze te zaaien.
De nieuwe studie suggereert echter dat als donkere materie tijdens de chaotische opwarmingsfase van de oerknal zou zijn geproduceerd, deze voldoende had kunnen afkoelen om als ‘koude donkere materie’ te fungeren. Dit heropent mogelijkheden voor eerder weggegooide deeltjeskandidaten.
Toekomstige implicaties
De bevindingen van het team, gepubliceerd in Physical Review Letters, bieden een nieuwe lens waarmee we de vroegste momenten van het universum kunnen bekijken. Als ze worden bevestigd, kunnen ze een dieper inzicht verschaffen in de omstandigheden onmiddellijk na de oerknal en onze zoektocht naar de ongrijpbare substantie die de kosmos vormt, verfijnen.
Het werk van het onderzoeksteam zou wetenschappers toegang kunnen geven tot de geschiedenis van het universum dat heel dicht bij de oerknal ligt.
De studie is getiteld: Ultrarelativistic Freeze-Out: A Bridge from WIMPs to FIMPs. Fys. Rev. Lett 135, 221002; doi: 10.1103/zk9k-nbpj
