Naukowcy z NCBJ zaproponowali niedawno mechanizm produkcji samooddziałującej ciemnej materii, powstającej w wyniku rozpadów zachodzących po zakończeniu ery rekombinacji. Autorzy pokazali, że samooddziałująca ciemna materia może równocześnie rozwiązać problemy modelu ΛCDM w małych i dużych skalach.

Obecnie przyjmowaną teorią opisującą ewolucję Wszechświata jest Kosmologiczny Model Standardowy – ΛCDM (Lambda-CDM, ang. Lambda-cold dark matter). Mimo swojej prostoty – ma tylko 6 parametrów swobodnych – zdumiewająco poprawnie opisuje Wszechświat w szerokiej rozpiętości skal. Dzięki nowym, dokładnym obserwacjom wiadomo jednak, że ΛCDM nie opisuje niektórych zjawisk wystarczająco precyzyjnie.

Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych zaproponowali niedawno mechanizm produkcji samooddziałującej ciemnej materii, powstającej w wyniku rozpadów dodatkowych niestabilnych cząstek, które zachodziły już po uformowaniu się atomów (rekombinacji), co miało miejsce ok. 370 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Wiadomo, że samooddziałująca ciemna materia może rozwiązać problemy modelu ΛCDM w małych skalach – np. problem deficytu galaktyk karłowatych czy problem różnorodności krzywych rotacji galaktyk – które pojawiają się, gdy zakłada się, że ciemna materia nie oddziałuje wystarczająco silnie ani z cząstkami znanej materii, ani z samą sobą. W pracy Self-interacting dark matter from late decays and the H₀ tension, opublikowanej w Physical Review D i niedawno prezentowanej na międzynarodowej konferencji EPS-HEP, adiunkt NCBJ dr Andrzej Hryczuk i doktorant NCBJ mgr Krzysztof Jodłowski pokazali, że samooddziałująca ciemna materia może równocześnie rozwiązać zarówno te problemy, jak i też niedawno zidentyfikowane problemy modelu ΛCDM w dużych skalach - w tym tzw. Hubble tension*.

Mechanizm badany we wspomnianej wyżej pracy polega na wprowadzeniu niestabilnej ciemnej materii, która ma bardzo długi czas życia, gdyż jej rozpad możliwy jest jedynie na skutek minimalnego naruszenia symetrii w sektorze pól skalarnych. Cząstka ta rozpada się głównie na samooddziałującą ciemną materię i w mniejszym stopniu na promieniowanie.  „Ze względu na to, że promieniowanie i materia tracą energię w różnym tempie wraz z rozszerzaniem się Wszechświata, taki mechanizm prowadzi do zwiększenia wartości H₀ otrzymanej z CMB, co jest zgodne z wartością otrzymaną z obserwacji supernowych” mówi mgr Jodłowski. Zaproponowany mechanizm „jednocześnie zmniejsza parametr, σ₈ który mierzy tempo wzrostu struktur we Wszechświecie, co poprawia zgodność z obserwacjami” dodaje dr Hryczuk. Wreszcie, praca pokazuje też, że produkcja samooddziałującej ciemnej materii zachodząca ~4 miliony lat po Wielkim Wybuchu, może stanowić również rozwiązanie problemów modelu ΛCDM w małych skalach.

* Parametr Hubble’a - parametr określający prędkość rozszerzania się Wszechświata. Parametr Hubble’a, H₀, jest wielkością pochodną, otrzymywaną z pomiarów wykonywanych na podstawie zjawisk zarówno z bardzo odległej, jak i niedalekiej przeszłości. Ostatnio precyzja tych pomiarów osiągnęła bardzo wysoki poziom, pozwalając na dokładne wyznaczenie H₀ różnymi niezależnymi metodami. Okazuje się, że parametr Hubble’a otrzymany na podstawie zjawisk z wczesnego Wszechświata jest istotnie mniejszy od wartości otrzymanej ze zjawisk późnego Wszechświata. Tę rozbieżność określa się mianem tzw. „Hubble tension”.

Informacje dodatkowe:

Skąd wziąła się koncepcja ciemnej materii i ciemnej energii?

1. Przyspieszona ekspansja Wszechświata i ciemna energia

Ciemna materia i ciemna energia to dwa tajemnicze byty, które określają ewolucję Wszechświata. Począwszy od pomiarów prędkości ucieczki galaktyk dokonanych przez Edwina Hubble'a wiemy, że Wszechświat się rozszerza. Od końca lat 90 wiemy również, że tempo ekspansji Wszechświata rośnie wraz z upływem czasu. Ten zadziwiający fakt został odkryty dzięki obserwacjom supernowych typu Ia. Obserwacje te wykazały, że światło pochodzące od odległych supernowych o dużych przesunięciach ku czerwieni jest mniej jasne niż się spodziewano zakładając, że tempo rozszerzania się Wszechświata jest stałe. Zgodnie z modelem ΛCDM, za przyspieszanie ekspansji Wszechświata odpowiedzialne jest nieznane dotąd zjawisko, które nazwane zostało „ciemną energią", działające w opozycji do grawitacji.

2. Mikrofalowe promieniowanie tła i ciemna materia

Chociaż ciemna energia jest obecnie dominującym składnikiem Wszechświata (era ciemnej energii rozpoczęła się od momentu, gdy od Wielkiego Wybuchu upłynęło ok. 10 miliardów lat), w momencie rekombinacji, kiedy powstały pierwsze atomy, jej wpływ był zupełnie pomijalny. Jest tak, ponieważ w tym czasie Wszechświat był ok. 1000 razy mniejszy niż obecnie, a energia ciemnej energii zależy liniowo od objętości Wszechświata. Pozostałością rekombinacji jest mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), którego pierwsza detekcja w latach 60 ubiegłego wieku pozwoliła – razem z innymi obserwacjami – na sformułowanie modelu ΛCDM. Według niego, to wpływ drugiego tajemniczego składnika Wszechświata – ciemnej materii – jest kluczowy do zrozumienia ewolucji wczesnego Wszechświata, w tym, m.in., uformowania się struktur we Wszechświecie. Istnieją alternatywne teorie do ciemnej materii, jak np. zmodyfikowana dynamika newtonowska. Jest to jednak czysto fenomenologiczne podejście, które do tej pory nie przekształciło się w spójną teorię, taką jak np. model ΛCDM . Ponadto tego typu alternatywy często i tak wymagają istnienia pewnej formy ciemnej materii by poprawnie opisywać zjawiska na skalach nie tylko galaktyk, ale i gromad. Dlatego też badania nad ciemną materią są jednym z wiodących kierunków badań astrofizyków i fizyków na całym świecie, w tym licznych naukowców NCBJ zatrudnionych w Zakładzie Astrofizyki i Zakładzie Fizyki Teoretycznej.

3. Nietypowa prędkość rotacji w galaktykach

Poza CMB istnieje jeszcze kilka silnych argumentów za istnieniem ciemnej materii. Najprostszy i jednocześnie historycznie otwierający erę współczesnych badań w tej dziedzinie pochodzi z obserwacji krzywych rotacji galaktyk. Według teorii grawitacji, prędkość z jaką znajdujące się na obrzeżach galaktyki gwiazdy, pył i gaz okrążają jądro galaktyki, powinna maleć im dalej od jądra znajduje się dany obiekt. Obserwacje pokazały jednak, że prędkość ta jest w miarę stała. Wydawać by się mogło, że dzieje się tak za sprawą nieznanego rodzaju materii, która nie świeci, a oddziałuje jedynie grawitacyjnie i sprawia, że galaktyki są bardziej „sztywne". Materia ta nazywana jest właśnie „ciemną materią".

Źródła:
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.102.043024
https://arxiv.org/abs/2110.11622