Przez dziesięciolecia panowała teoria, że ciemna materia – niewidzialna substancja stanowiąca około 85% masy Wszechświata – była „zimna” bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Oznacza to, że jego cząsteczki poruszały się na tyle wolno, że zbijały się razem pod wpływem grawitacji, tworząc galaktyki i większe struktury kosmiczne, które widzimy dzisiaj. Nowe badania podważają to założenie, sugerując, że ciemna materia mogła pierwotnie być niezwykle gorąca, poruszając się z prędkością niemal równą prędkości światła, zanim ostygła na tyle, aby położyć podwaliny pod powstawanie galaktyk.
Zmiana zrozumienia
Badanie prowadzone pod kierunkiem naukowców z University of Minnesota-Twin Cities i Université Paris-Saclay sugeruje, że ciemna materia mogła „odłączyć się” od wysokoenergetycznej plazmy wczesnego Wszechświata, pozostając jednocześnie ultrarelatywistyczną – poruszając się z ekstremalnymi prędkościami. Scenariusz ten rozszerza zakres możliwych zachowań cząstek ciemnej materii, potencjalnie otwierając nowe ścieżki eksperymentalne i obserwacyjne.
Klucz leży w okresie przegrzania po szybkiej ekspansji Wszechświata (inflacja). Podczas przegrzania energia inflacji została przekształcona w gorącą mieszaninę cząstek i promieniowania. Naukowcy wykazali, że w pewnych warunkach ciemna materia powstała w tym okresie może narodzić się z prędkością bliską prędkości światła, ale na tyle chłodną, aby dopasować się do wielkoskalowej struktury Wszechświata.
Dlaczego to jest ważne
Model „zimnej ciemnej materii” od dawna ma kluczowe znaczenie dla naszego zrozumienia kosmologii. Jeśli te nowe odkrycia zostaną potwierdzone, mogą zmienić sposób, w jaki poszukujemy samej ciemnej materii. Obecne wysiłki w zakresie wykrywania opierają się na różnych technikach – zderzeniach cząstek, detektorach podziemnych i obserwacjach astrofizycznych – a wszystkie opierają się na założeniu, że cząstki ciemnej materii poruszają się stosunkowo wolno.
Ten niuans rodzi także głębsze pytania teoretyczne dotyczące podstawowych właściwości ciemnej materii i jej roli w ewolucji kosmicznej.
„Ciemna materia jest niezwykle tajemnicza” – powiedział Steven Henrich, absolwent Uniwersytetu w Minnesocie. „Jedną z niewielu rzeczy, które o niej wiemy, jest to, że powinna być zimna… Nasze najnowsze wyniki pokazują, że tak nie jest; w rzeczywistości ciemna materia może być gorąca w momencie narodzin, ale ma jeszcze czas na ochłodzenie, zanim zaczną powstawać galaktyki.”
Paradoks „gorącej” ciemnej materii
Historycznie rzecz biorąc, koncepcja „gorącej ciemnej materii” – cząstek poruszających się zbyt szybko, aby skutecznie tworzyć struktury – została odrzucona. Neutrina o małej masie, niegdyś czołowy kandydat, zostały wykluczone kilkadziesiąt lat temu ze względu na ich tendencję do niszczenia struktur galaktycznych zamiast ich tworzenia.
Jednakże nowe badania sugerują, że gdyby ciemna materia powstała podczas chaotycznej fazy przegrzania Wielkiego Wybuchu, mogłaby ostygnąć na tyle, aby działać jak „zimna ciemna materia”. Otwiera to ponownie możliwości dla wcześniej odrzuconych kandydatów na cząstki.
Przyszłe konsekwencje
Wyniki zespołu, opublikowane w Physical Review Letters, oferują nowy wgląd w najwcześniejsze momenty wszechświata. Jeśli zostaną potwierdzone, mogą ujawnić głębsze zrozumienie warunków, które istniały bezpośrednio po Wielkim Wybuchu i udoskonalić nasze poszukiwania nieuchwytnej substancji, która kształtuje kosmos.
Praca zespołu badawczego może umożliwić naukowcom dostęp do historii Wszechświata bardzo blisko Wielkiego Wybuchu.
Badanie nosi tytuł: Ultrarelatywistyczne zamrożenie: pomost od WIMP do FIMP. Fiz. Rev. Lett 135, 221002; doi: 10.1103/zk9k-nbpj
