Πρώιμο Σύμπαν:Ακραίες συνθήκες σχηματισμού της σκοτεινής ύλης
Χάρτης σκοτεινής ύλης (2021) από την Έρευνα Σκοτεινής Ενέργειας χρησιμοποιώντας σύνολο δεδομένων ασθενούς βαρυτικού φακού. Οι χάρτες μάζας είναι σταθμισμένες προβολές του πεδίου πυκνότητας (κυρίως της σκοτεινής ύλης) στο προσκήνιο των παρατηρούμενων γαλαξιών. Προσφορά:N. Jeffrey, Dark Energy Survey/Wikimedia Commons Η σκοτεινή ύλη αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο Σύμπαν (περίπου 85%), ωστόσο δεν εκπέμπει φως ούτε αλληλεπιδρά απευθείας με τα τηλεσκόπια. Οι επιστήμονες συμπεραίνουν την ύπαρξή του από τη βαρυτική του επίδραση στους γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών. Τα τυπικά κοσμολογικά μοντέλα έχουν από καιρό ευνοήσει την «ψυχρή» σκοτεινή ύλη, επειδή τα γρήγορα κινούμενα σωματίδια θα εξομαλύνουν τις μικρές διακυμάνσεις της πυκνότητας και θα εμποδίζουν τους γαλαξίες να διαμορφωθούν.
Τώρα, μια νέα μελέτη δείχνει ότι υπάρχουν περισσότερα από όσα φαίνονται στο μάτι.
Οι φυσικοί του Πανεπιστημίου της Μινεσότα των Δίδυμων Πόλεων και του Πανεπιστημίου Paris-Saclay αναφέρουν ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να έχει ξεκινήσει την ύπαρξή της με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, εξακολουθεί να καταλήγει να συμπεριφέρεται σαν την αργή σκοτεινή ύλη που απαιτείται για να σχηματιστούν οι γαλαξίες. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στο Physical Review Letters , επισκεφθείτε ξανά μια στιγμή που παραβλέφθηκε σε μεγάλο βαθμό αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και ανοίξτε ξανά μια από τις παλαιότερες συζητήσεις της κοσμολογίας.
"Η σκοτεινή ύλη είναι περίφημα αινιγματική. Ένα από τα λίγα πράγματα που γνωρίζουμε για αυτήν είναι ότι πρέπει να είναι κρύο", δήλωσε ο Stephen Henrich, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
"Ως αποτέλεσμα, τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες, οι περισσότεροι ερευνητές πίστευαν ότι η σκοτεινή ύλη πρέπει να είναι κρύα όταν γεννιέται στο αρχέγονο σύμπαν. Τα πρόσφατα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι αυτό δεν συμβαίνει. Στην πραγματικότητα, η σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι καυτή όταν γεννιέται, αλλά έχει ακόμα χρόνο να κρυώσει πριν αρχίσουν να σχηματίζονται γαλαξίες."
Η ξεχασμένη εποχή
Το νέο έργο επικεντρώνεται σε μια σύντομη και ελάχιστα κατανοητή περίοδο στην κοσμολογία που ονομάζεται αναθέρμανση, η οποία ήρθε μετά τον κοσμικό πληθωρισμό. Ο πληθωρισμός επέκτεινε γρήγορα το πρώιμο Σύμπαν, αλλά όταν τελείωσε, η ενέργειά του δεν έγινε αμέσως ύλη. Αντίθετα, αυτή η ενέργεια μεταμορφώθηκε αργά σε σωματίδια ενώ το Σύμπαν συνέχιζε να διαστέλλεται.
Τα προηγούμενα μοντέλα υπέθεταν ότι η αναθέρμανση συνέβη σχεδόν αμέσως, χωρίς να αφήνει χρόνο για τα θερμά σωματίδια να κρυώσουν πριν κυριαρχήσει η ακτινοβολία στο Σύμπαν. Χαλαρώνοντας αυτή την υπόθεση, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η υπερσχετικιστική σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να χάσει αρκετή ενέργεια για να γίνει συμβατή με το σχηματισμό γαλαξιών αργότερα.
Ο Henrich και οι συνάδελφοί του ρώτησαν τι συμβαίνει εάν η σκοτεινή ύλη αποσυνδεθεί νωρίτερα, κατά τη διάρκεια της επαναθέρμανσης. Ονομάζουν αυτή τη διαδικασία υπερσχετικιστική κατάψυξη. Αποδεικνύεται ότι η σκοτεινή ύλη σταματά να αλληλεπιδρά όσο είναι ακόμα εξαιρετικά ζεστή και στη συνέχεια ψύχεται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται μέχρι να συμπεριφέρεται όπως η συμβατική ψυχρή σκοτεινή ύλη.
Ο ίδιος ο μηχανισμός δεν είναι εξωτικός. Είναι η ίδια διαδικασία με την οποία τα συνηθισμένα νετρίνα αποσυνδέθηκαν από το πρώιμο Σύμπαν, όταν σταμάτησαν να αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια σε θερμοκρασίες περίπου ενός εκατομμυρίου ηλεκτρονιοβολτ (περίπου 10 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου), ενώ εξακολουθούσαν να κινούνται με ταχύτητα σχεδόν φωτός.
«Η απλούστερη υποψήφια σκοτεινή ύλη, ένα νετρίνο χαμηλής μάζας, αποκλείστηκε πριν από περισσότερα από 40 χρόνια, καθώς θα είχε εξαφανίσει δομές μεγέθους γαλαξία αντί να το σπείρει», δήλωσε ο Keith Olive, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα και συν-συγγραφέας της μελέτης, σε δήλωση.
«Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι ένας παρόμοιος υποψήφιος, αν παρήχθη ακριβώς τη στιγμή που δημιουργήθηκε το καυτό Σύμπαν του Big Bang, θα μπορούσε να είχε ψυχθεί σε σημείο που στην πραγματικότητα θα λειτουργούσε ως ψυχρή σκοτεινή ύλη.»
Μια γέφυρα μεταξύ των θεωριών
Πιστώσεις:NASA / Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab Το εύρημα προσγειώνεται σε μια ευαίσθητη στιγμή στην έρευνα της σκοτεινής ύλης. Για χρόνια, οι πειραματικές αναζητήσεις επικεντρώνονταν σε WIMP—μεγάλα σωματίδια ασθενούς αλληλεπίδρασης που παγώνουν φυσικά στο κρύο. Τα WIMPS θεωρούνται ο κορυφαίος υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη, ωστόσο, παρά τις εκτεταμένες προσπάθειες, δεν έχει εμφανιστεί κανένα πειστικό σήμα.
Άλλες ιδέες, όπως τα ασθενώς αλληλεπιδρώντα τεράστια σωματίδια, αποφεύγουν αυτά τα όρια αλληλεπιδρώντας ελάχιστα με τη συνηθισμένη ύλη. Αυτό καθιστά επίσης εξαιρετικά δύσκολο τον εντοπισμό τους.
Το υπερσχετικιστικό πάγωμα εμπίπτει μεταξύ αυτών των προσεγγίσεων. Σε αυτό το σενάριο, Σε αυτό το σενάριο, η σκοτεινή ύλη αποσυνδέεται νωρίς, αλλά παραμένει συμβατή με τις παρατηρήσεις των γαλαξιών και το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες κατά τη διάρκεια της αναθέρμανσης, σωματίδια σκοτεινής ύλης βαρύτερα από μερικές χιλιάδες ηλεκτρονιοβολτ θα επιβραδύνονταν αρκετά πριν αρχίσουν να σχηματίζονται κοσμικές δομές. Αυτό το αποτέλεσμα επαναφέρει πολλά υποψήφια σωματίδια που οι επιστήμονες είχαν προηγουμένως αποκλείσει.
Η σκοτεινή ύλη που σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσε να μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με την επαναθέρμανση, μια φάση του Σύμπαντος που κατά τα άλλα είναι δύσκολο να μελετηθεί.
«Με τα νέα ευρήματά μας, μπορεί να είμαστε σε θέση να έχουμε πρόσβαση σε μια περίοδο στην ιστορία του Σύμπαντος πολύ κοντά στη Μεγάλη Έκρηξη», δήλωσε ο Yann Mambrini, φυσικός στο Université Paris-Saclay και συν-συγγραφέας της μελέτης.
