Nowe badania nad ciemną materią sugerują, że mogła ona powstać w wyniku Ciemnego Wielkiego Wybuchu – wydarzenia odrębnego od konwencjonalnego Wielkiego Wybuchu.
Teoria Ciemnego Wielkiego Wybuchu zakłada, że źródłem ciemnej materii było odrębne wydarzenie kosmiczne; może ona zmienić sposób, w jaki rozumiemy wczesne momenty wszechświata. Nadchodzące eksperymenty z wykrywaniem fal grawitacyjnych mogą dostarczyć kluczowych dowodów na jej poparcie.
Alternatywna teoria powstania ciemnej materii
Adiunkt fizyki i astronomii Cosmin Ilie i student Richard Casey zagłębili się w śmiały pomysł zaproponowany przez naukowców z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin, Katherine Freese i Martina Winklera, że Ciemny Wielki Wybuch miał nastąpić wkrótce po uformowaniu się wszechświata.
Tradycyjnie naukowcy uważają, że cała materia, w tym ciemna materia, powstała w wyniku jednego zdarzenia — Wielkiego Wybuchu. Oznaczało to koniec okresu kosmicznej inflacji – gwałtownej ekspansji wszechświata, kiedy energia próżni przekształciła się w gorącą plazmę promieniowania i cząstek, przygotowując grunt pod wszechświat, jaki znamy.
Jedną z najbardziej palących tajemnic jest pochodzenie i natura ciemnej materii, która stanowi około 25% budżetu energetycznego dzisiejszego wszechświata. Chociaż nie wykryto jej jeszcze bezpośrednio w eksperymentach podziemnych ani nie zaobserwowano w akceleratorach, efekty grawitacyjne ciemnej materii zostały mocno ugruntowane w skali galaktycznej i pozagalaktycznej. Co więcej, ciemna materia pozostawia obserwowalne ślady na elektromagnetycznej poświacie Wielkiego Wybuchu, tak zwanym kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła.
Pochodzenie ciemnej materii
W 2023 roku Freese i Winkler zaproponowali, że ciemna materia, w przeciwieństwie do zwykłej materii, mogła powstać w wyniku odrębnego wydarzenia, Ciemnego Wielkiego Wybuchu, które mogło mieć miejsce kilka miesięcy po właściwym Wielkim Wybuchu. W tym modelu cząstki ciemnej materii powstają w wyniku rozpadu pola kwantowego, które łączy się tylko z Ciemnym Sektorem i jest początkowo uwięzione w fałszywym metastabilnym stanie próżni.
W swoich ostatnich badaniach Ilie i Casey badają i udoskonalają model Ciemnego Wielkiego Wybuchu, określając wszystkie możliwe scenariusze jego realizacji zgodne z obecnymi danymi eksperymentalnymi. Co najważniejsze, ich praca odkrywa wcześniej niezbadany zakres możliwych parametrów, które mogłyby wyjaśnić pochodzenie ciemnej materii. Badanie określa również potencjalne obserwowalne konsekwencje tych nowych scenariuszy, w szczególności generowanie fal grawitacyjnych, które mogłyby zostać wykryte przez przyszłe eksperymenty.
Square Kilometre Array (SKA) to budowana sieć radioteleskopów o całkowitej powierzchni jednego kilometra kwadratowego. Radioteleskopy SKA są budowane w Australii i RPA. Siedziba główna projektu znajduje się w Jodrell Bank Observatory w Wielkiej Brytanii. Sieć SKA jest oparta na międzynarodowej współpracy wielu krajów, a jej celem jest udzielenie odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące ewolucji i pochodzenia Wszechświata. Mapa pokazuje kraje członkowskie organizacji SKA. Źródło: Wikipedia
Perspektywy wykrywania fal grawitacyjnych
Wykrycie fal grawitacyjnych generowanych przez Ciemny Wielki Wybuch może dostarczyć kluczowych dowodów na tę nową teorię ciemnej materii – powiedział Ilie. Dzięki obecnym eksperymentom, takim jak International Pulsar Timing Array (IPTA) i SKA na horyzoncie, możemy wkrótce mieć narzędzia do testowania tego modelu w niespotykany dotąd sposób.
Gdy przyszłe eksperymenty dostarczą precyzyjnych pomiarów, naukowcy będą mogli lepiej zrozumieć parametry rządzące Ciemnym Wielkim Wybuchem i być może potwierdzić go jako źródło pochodzenia ciemnej materii. Badania te oferują nową perspektywę dla zrozumienia wczesnej historii wszechświata i sił, które ukształtowały jego ewolucję, co jest gorącym tematem współczesnej kosmologii.
Więcej informacji:
- Publikacja „Dark matter and gravitational waves from a dark big bang” autorstwa Katherine Freese i Martina Wolfganga Winkler, 20 kwietnia 2023, „Physical Review”. DOI: 10.1103/PhysRevD.107.083522
- Publikacja „Dark sector tunneling field potentials for a dark big bang” autorstwa Richarda Caseya i Cosmina Ilie, 15 listopada 2024, „Physical Review”. DOI: 10.1103/PhysRevD.110.103522
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Ilustracja: Ciemna materia mogła powstać z własnego „Ciemnego Wielkiego Wybuchu ”, odrębnego od konwencjonalnego Wielkiego Wybuchu. Dowodu na to mogą dostarczyć przyszłe eksperymenty wykrywające fale grawitacyjne. Źródło: NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab, edytowane
