Kosmos powstał inaczej, niż sądzono. Neutrina wracają do gry
Zimna ciemna materia od dekad była pewnikiem fizyki. Teraz naukowcy pokazują scenariusz, w którym Wszechświat startuje z jej gorącą wersją.
Przez ostatnich 40 lat fizycy powtarzali jak mantrę, że ciemna materia musi być zimna, powolna i ciężka, inaczej nie dałoby się zbudować takiego Wszechświata, jaki widzimy dziś. Nowe badania pokazują, że może być całkowicie odwrotnie. Zespół teoretyków proponuje scenariusz, w którym ciemna materia rodzi się rozgrzana, porusza się niemal z prędkością światła, a dopiero potem stygnie i zaczyna zachowywać się jak klasyczna zimna materia. Jeśli mają rację, to naprawdę może to sporo namieszać.
Ciemna materia, czyli niewidzialny ciężar, który rządzi galaktykami
Ciemna materia to ta część kosmosu, którą doskonale czujemy w równaniach, ale wciąż nie potrafimy jej zobaczyć. Nie świeci, nie pochłania światła, nie odbija go. Zdradza się tylko grawitacją, a dokładniej tym, jak przyciąga gwiazdy, zakrzywia tory galaktyk i wygina światło biegnące w jej pobliżu.
Wiemy, że bez tego niewidzialnego składnika galaktyki po prostu by się rozpadły. Zbyt szybko wirują, żeby utrzymała je sama materia widzialna. Szacunki są brutalne dla naszej normalnej materii: na 1 część atomów przypada około 5 części ciemnej materii. To ona buduje szkielet kosmosu, w którego dołkach grawitacyjnych później osiadają gaz, gwiazdy i galaktyki.
Problem jednak w tym, że nie mamy pojęcia, z czego tak naprawdę jest zbudowana. Wiemy tylko, czym nie jest: nie może składać się z tych samych cząstek co zwykła materia, bo te z definicji oddziałują ze światłem. Ciemna materia musi być czymś innym, nową fizyką.
W fizyce chodzi nie o temperaturę, lecz o prędkość
W języku kosmologów zimna i gorąca ciemna materia nie opisują temperatury tak, jak na termometrze. To bardzo ogólne skróty myślowe mówiące o tym, jak szybko poruszają się cząstki.
Zimna ciemna materia to taka, której cząstki są powolne w skali kosmicznej. Ich prędkość jest dużo mniejsza niż prędkość światła. Dzięki temu nie rozmazują struktur, tylko pomagają je budować, a konkretniej zbierają się w skupiska, tworzą gęstsze obszary, do których później spływa zwykła materia. Na tym opiera się obowiązujący dziś standardowy model ewolucji Wszechświata, często nazywany w skrócie ΛCDM, gdzie litera C pochodzi właśnie od słowa cold – zimnej ciemnej materii.
Gorąca ciemna materia to przeciwieństwo zimnej ciemnej materii. Cząstki są ultraszybkie i zbliżają się prędkością do światła. Taki składnik raczej wygładza Wszechświat, niż pozwala mu się zgrudkować. Właśnie dlatego jeden z pomysłów, że rolę ciemnej materii mogłyby pełnić lekkie, szybkie neutrina, został przed laty szybko odrzucony. Z wyliczeń wychodziło, że gdyby cały ciemny składnik był tak gorący, nie powstałyby galaktyki w znanej nam formie.
Nowa praca nie próbuje wprost podmienić jednego na drugie. Zamiast tego mówi, że ciemna materia może startować jako gorąca, a potem ochłodzić się na tyle, że w kluczowym momencie zachowuje się już jak zimna.
Rozgrzana tuż po Wielkim Wybuchu
Jak czytamy na łamach Space.com, autorzy badań cofają się do bardzo wczesnego etapu historii kosmosu, a dokładniej do okresu tuż po inflacji. Jest to hipotetyczny, ekstremalnie krótki etap tuż po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat miał rozszerzyć się wykładniczo jak nadmuchiwany balon. Gdy ten proces dobiegł końca, energia pola odpowiedzialnego za inflację miała zamienić się w to, co znamy jako gorący Wielki Wybuch: mieszaninę promieniowania i cząstek elementarnych. Ten moment nazywa się etapem dogrzewania.
Nowy scenariusz zakłada, że właśnie wtedy rodzi się ciemna materia – w otoczeniu niewyobrażalnie gęstym i rozgrzanym. Jej cząstki startują niemal z prędkością światła, są więc z definicji gorące. Kluczowy jest tu jednak inny moment: chwila, gdy przestają skutecznie oddziaływać z resztą materii i promieniowaniem, czyli tzw. odsprzęgnięcie.
Autorzy pokazują, że cząstki ciemnej materii mogą wylogować się z gry stosunkowo wcześnie, jeszcze będąc bardzo szybkie. Od tego momentu Wszechświat się rozszerza, a wraz z nim spada gęstość i maleją energie cząstek. Kosmiczna ekspansja działa jak gigantyczny hamulec – stopniowo spowalnia ciemną materię, nawet jeśli na starcie była ekstremalnie rozpędzona.
W efekcie, kiedy przychodzi czas na formowanie się pierwszych galaktyk, niewidzialny składnik zachowuje się już praktycznie jak klasyczna zimna ciemna materia. Dla późniejszej historii kosmosu liczy się więc to, jaka jest wtedy, a nie to, z jakim temperamentem się urodziła.
Neutrina wracają do gry?
Najciekawszy wniosek z tej układanki dotyczy kandydatów na cząstki ciemnej materii. Czy przynajmniej część ciemnego składnika mogłaby jednak mieć naturę zbliżoną do lekkich, szybkich neutrin?
Neutrina to cząstki, które powstają masowo w reakcjach jądrowych, np. w Słońcu, reaktorach jądrowych czy podczas wybuchów supernowych. Przelatują przez materię praktycznie nie zauważając jej obecności, prawie z prędkością światła. W klasycznym podejściu właśnie przez tę gorącość zostały skreślone jako główny składnik ciemnej materii. Zbyt skutecznie wygładzałyby rodzące się struktury.
Nowy scenariusz pokazuje jednak, że jeżeli tego typu cząstki powstaną bardzo wcześnie, podczas dogrzewania Wszechświata, mają dużo czasu, żeby zwolnić. Jak długo są prawie nieuchwytne dla reszty materii, tak długo kosmiczna ekspansja może stopniowo ściągać im nogę z gazu.
To oczywiście nie znaczy, że współczesne neutrina znane z doświadczeń nagle staje się całą ciemną materią. Raczej otwiera się furtka dla podobnych, lekkich, początkowo bardzo szybkich cząstek, które w dawnych modelach skreślano zbyt pochopnie.
Co dalej? Czas na bardzo długie obliczenia i eksperymenty
Kosmologia teoretyczna ma tę niewdzięczną cechę, że bardzo łatwo narysować piękny scenariusz na tablicy, a bardzo trudno go zweryfikować. Autorzy badań nie chcą jednak zatrzymać się jedynie na równaniach.
Sugerują, że pewne ślady gorącego dzieciństwa ciemnej materii mogą być zapisane w strukturze kosmosu, a dokładniej w rozkładzie galaktyk, w subtelnych nierównościach kosmicznego mikrofalowego tła, a być może także w przyszłych mapach bardzo wczesnych galaktyk obserwowanych przez najczulsze teleskopy. To zadanie na lata, ale jeśli taki sygnał istnieje, powinien być konsekwentny z proponowanym scenariuszem.
Przeczytaj także:
Zespół chce również szukać bezpośrednich śladów nowych cząstek w eksperymentach naziemnych – w zderzaczach cząstek i precyzyjnych detektorach. Mówimy o energiach i warunkach zupełnie nieporównywalnych z tymi z pierwszych ułamków sekundy po Wielkim Wybuchu, ale czasem nawet słaby, pośredni efekt może zawęzić listę możliwych modeli.
Jeżeli uda się choćby częściowo potwierdzić, że ciemna materia mogła startować rozgrzana do czerwoności, a mimo to dziś udaje lodowato spokojną, fizycy zyskają bezcenne okno na etap ewolucji kosmosu, który do tej pory był praktycznie nieosiągalny.
