Ciemna materia, to jedna z największych zagadek we współczesnej fizyce. Naukowcy nie wiedzą, czym dokładnie jest i jak powstała, ale według nowych badań, ciemna materia mogła istnieć przed Wielkim Wybuchem.

Ciemna materia to hipotetyczna materia, która nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne. W ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach.

Uczeni wciąż starają się dociec, jaka jest dokładna natura ciemnej materii i co ją tworzy. Mimo lat poszukiwań jej istnienie nie zostało potwierdzone. Nowe badania opublikowane w „Physical Review Letters”, przedstawiają nowe spojrzenie na to, jak narodziła się ciemna materia i jak ją zidentyfikować za pomocą obserwacji astronomicznych.

Uważa się, że ciemna materia we Wszechświecie nie ma charakteru barionowego. Prawdopodobnie składa się z jeszcze nieodkrytych cząstek subatomowych. Ponieważ jednak nie oddziałuje ze światłem w taki sam sposób jak normalna materia, można ją zaobserwować jedynie poprzez efekty grawitacyjne, których nie można wytłumaczyć, chyba że jest więcej materii, niż można zobaczyć. Z tego powodu większość ekspertów uważa, że ​​ciemna materia jest wszechobecna we Wszechświecie, wywierając silny wpływ na jego strukturę i ewolucję.

– Nasze badania ujawniły nowy związek między fizyką cząstek a astronomią. Jeśli ciemna materia składa się z cząstek, które narodziły się przed Wielkim Wybuchem, wpływają one na sposób rozmieszczenia galaktyk w unikalny sposób. To połączenie może być wykorzystane do ujawnienia tożsamość ciemnej materii i wyciąganie wniosków na temat czasów przed Wielkim Wybuchem – powiedział Tommi Tenkanen z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, główny autor badania.

Pierwsze, co rzuca się w oczy, to słowo „przed”. Według modelu ewolucji Wszechświata, który uznawany jest za najbardziej prawdopodobny, czyli Wielkiego Wybuchu, nie można mówić, że coś zdarzyło się przed Wielkim Wybuchem, bo wtedy czas nie istniał. Narodził się wraz z Wielkim Wybuchem, tak jak przestrzeń, materia, energia i oddziaływania.

Rozważania naukowców dotyczą porządku wydarzeń na początku Wszechświata. Jednak to dość tajemnicze i bardzo krótkie zdarzenie. Sam Wielki Wybuch jest przedmiotem sporów. Koncepcja ta opiera się na obserwacjach, które wskazują na rozszerzanie się Wszechświata. Skoro się rozszerza, to musiał kiedyś mieć swój punkt początkowy, w którym cała materia miała bardzo dużą gęstość i temperaturę. Punkt ten nazywany jest osobliwością.

Koncepcja ta zakłada, że bardzo krótko po Wielkim Wybuchu (między 10-36 a 10-32 sekundy) wszechświat wszedł w fazę inflacji kosmologicznej. Model inflacji wygląda jak na poniższym obrazku.

Historia Wszechświata, grafika: Drbogdan/Yinweichen/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Ale niektórzy naukowcy uważają, że inflacja miała miejsce tuż przed Wielkim Wybuchem. W takim przypadku Wielki Wybuch to nazwa nadana warunkom we Wszechświecie już po zakończeniu inflacji.

Jak wyjaśnił Tenkanen, przez długi czas badacze uważali, że ciemna materia musi być pozostałością po Wielkim Wybuchu. Mimo lat badań wszystkie poszukiwania eksperymentalne zakończyły się niepowodzeniem. – Gdyby ciemna materia była naprawdę pozostałością po Wielkim Wybuchu, w wielu przypadkach badacze powinni byli zobaczyć jej bezpośredni sygnał w różnych eksperymentach z fizyką cząstek – stwierdził Tenkanen.

Według publikacji, pochodzenie ciemnej materii może być bardziej osobliwe. Być może cząstki subatomowe składające się na ciemną materię pojawiły się w bardzo krótkim czasie, zaledwie ułamki ułamków sekundy przed Wielkim Wybuchem. To nie tylko sugeruje nowy związek między fizyką cząstek a astronomią. Jeśli ta hipoteza się utrzyma, może wskazywać na nowy sposób poszukiwania ciemnej materii.

Naukowcy kierowani przez Tenkanena wykorzystali nowy model matematyczny, który pokazał, że ciemna materia mogła powstać przed Wielkim Wybuchem i jest produktem inflacji kosmologicznej. Tenkanen nie jest pierwszym, który zaproponował takie rozwiązanie, ale jako pierwszy swoją koncepcję poparł obliczeniami. Gdyby inflacja nastąpiła przed Wielkim Wybuchem, ciemna materia mogłaby istnieć przed resztą rzeczy.

Zgodnie z publikacją, szybkie rozszerzanie się Wszechświata prowadziło do obfitej produkcji niektórych rodzajów cząstek zwanych cząstkami skalarnymi. Jak dotąd odkryto tylko jedną taką cząstkę. To słynny bozon Higgsa, ale jeśli ciemna materia rzeczywiście powstała przed Wielkim Wybuchem, z pewnością wchodziłaby w interakcje z cząstkami skalarnym. – Nie wiemy, czym jest ciemna materia, ale jeśli ma ona coś wspólnego z cząstkami skalarnymi, może być starsza niż Wielki Wybuch. W proponowanym scenariuszu matematycznym nie musimy zakładać nowych rodzajów interakcji między materią widoczną a ciemną materią, poza grawitacją – powiedział Tenkanen.

W publikacji zasugerowano również sposób przetestowania koncepcji pochodzenia ciemnej materii poprzez obserwacje rozkładu materii we Wszechświecie. – Chociaż tego rodzaju ciemna materia jest zbyt nieuchwytna, aby można ją było znaleźć w eksperymentach z cząstkami, może ujawnić swoją obecność w obserwacjach astronomicznych. Wkrótce dowiemy się więcej o pochodzeniu ciemnej materii, kiedy satelita Euclid zostanie wystrzelony w 2022 roku. Będzie to bardzo ekscytujący czas. Zobaczymy, co satelita odkryje na temat ciemnej materii – zaznaczył Tenkanen.

Celem realizowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną misji Euclid jest zrozumienie, dlaczego Wszechświat rozszerza się w tempie, jakie obserwujemy. Odpowiedź na to pytanie mają dać instrumenty badawcze sondy, które pozwolą spojrzeć na obraz Wszechświata sprzed 10 miliardów lat.

 

 

 

ŹródłoJohns Hopkins University