Štandardný model kozmológie nám hovorí, že iba 4,9% vesmíru pozostáva z obyčajnej hmoty (z toho, čo vidíme), zatiaľ čo zvyšok je 26,8% tmavá hmota a 68,3% tmavá hmota. energie. Ako naznačuje názov týchto konceptov, nemôžeme ich vidieť, takže ich existencia by mala vyplývať z teoretických modelov, pozorovaní rozsiahlej štruktúry vesmíru a zjavných gravitačných účinkov, ktoré sa prejavujú na viditeľnej hmote.
Odkedy sa o tom hovorilo prvýkrát, určite nebolo núdze o špekulácie o tom, ako vyzerajú častice tmavej hmoty. Nie je to tak dávno, čo si mnohí vedci začali myslieť, že temná hmota pozostáva zo slabo interagujúcich masívnych častíc (WIMP, WIMP), ktoré sú asi stokrát väčšie ako hmotnosť protónu, ale interagujú ako neutrína. Napriek tomu všetky pokusy nájsť WIMP pomocou experimentov s urýchľovačom častíc neviedli k ničomu. Vedci preto začali triediť možné alternatívy zloženia tmavej hmoty.
Moderné kozmologické modely majú tendenciu predpokladať, že hmotnosť temnej hmoty leží v rozmedzí 100 GeV (gigaelectronvolt), čo zodpovedá hmotnostným limitom mnohých ďalších častíc, ktoré interagujú pomocou slabej jadrovej sily. Existencia takejto častice by zodpovedala supersymetrickému rozšíreniu štandardného modelu fyziky častíc. Okrem toho sa verí, že také častice sa mali narodiť v horúcom, hustom, ranom vesmíre s hmotnostnou hustotou hmoty, ktorá zostala nezmenená dodnes.
Prebiehajúce experimenty na identifikáciu WIMP však nenašli žiadne konkrétne dôkazy o existencii takýchto častíc. Zahŕňali hľadanie anihilačných produktov WIMP (gama lúče, neutrína a kozmické lúče) v blízkych galaxiách a zoskupeniach, ako aj experimenty s priamou detekciou častíc pomocou superkolliderov, ako je LHC.
Supersymetriou sa wimpy navzájom zničia a vytvárajú kaskádu častíc a žiarenia vrátane gama lúčov so strednou energiou.
Mnoho vedcov nič nenašlo a rozhodli sa odkloniť od paradigmy WIMP a hľadať temnú hmotu inde. Jedna z takýchto skupín kozmológov CERN a CP3-Origins v Dánsku nedávno zverejnila štúdiu, ktorá ukazuje, že temná hmota môže byť omnoho ťažšia a slabšia na interakciu, ako sa doteraz myslelo.
Jeden z členov výskumného tímu CP-3 Origins, Dr. McCullen Sandora, hovoril o úsilí svojho tímu:
Propagačné video:
"Zatiaľ nemôžeme vylúčiť scenár WIMP, ale každý rok máme podozrenie na čoraz viac, než sme nič nevideli." Zvyčajná slabá škála fyziky navyše trpí problémom hierarchie. Nie je jasné, prečo sú všetky častice, ktoré poznáme, také ľahké, najmä ak sa pozriete na prirodzenú gravitačnú stupnicu, Planckovu stupnicu, čo je asi 1019 GeV. Keby teda bola temná hmota bližšie k Planckovej škále, problém hierarchie by to neovplyvnilo, a to by tiež vysvetľovalo, prečo sme nevideli podpisy spojené s WIMP. “
Pomocou nového modelu, ktorý nazývajú Planckova interaktívna temná hmota (PIDM), vedci skúmajú hornú hranicu hmotnosti temnej hmoty. Zatiaľ čo WIMP umiestňujú hmotu temnej hmoty na horný koniec elektroslabej stupnice, dánsky výskumný tím Martias Garney, McCullen Sandora a Martin Slot navrhli časticu s hmotou, ktorá je v úplne inom prírodnom meradle - Planckova stupnica.
Na Planckovej stupnici sa jedna hmotnostná jednotka rovná 2,17645 x 10-8 kilogramom - asi mikrogramu alebo 1019-násobku hmotnosti protónu. Pri tejto hmotnosti je každý PIDM v podstate taký ťažký, ako len môže byť častica, kým sa z neho stane miniatúrna čierna diera. Skupina tiež navrhla, aby tieto častice PIDM interagovali s bežnou hmotou iba gravitačne a že veľa z nich sa vytvorilo v najskoršom vesmíre počas éry silného zahriatia - obdobia, ktoré sa začalo na konci inflačnej éry, niekde od 10 do 36 do 10 33 alebo 10-32 sekúnd po Veľkom tresku.
Táto éra sa nazýva tak, pretože sa predpokladá, že počas inflácie teplota vesmíru klesla 100 000-krát. Po ukončení inflácie sa teploty vrátili na svoju predinflačnú úroveň (asi 1027 Kelvinov). Do tejto doby sa väčšina potenciálnej energie inflačného poľa rozpadla na častice štandardného modelu, ktorý vyplnil vesmír a medzi nimi aj temnú hmotu.
Nová teória prirodzene prichádza s podielom dôsledkov pre kozmológov. Napríklad aby tento model fungoval, musela byť teplota vykurovacej epochy vyššia, ako sa v súčasnosti verí. Navyše, teplejšie vykurovacie obdobie by tiež vytvorilo viac primárnych gravitačných vĺn, ktoré by sa odrážali v kozmickom mikrovlnnom pozadí (CMB).
"Táto vysoká teplota nám hovorí o inflácii dve zaujímavé veci," hovorí Sandora. - Ak je tmavá hmota PIDM: po prvé, inflácia prebiehala pri veľmi vysokých energiách, ktoré spôsobovali nielen kolísanie teploty raného vesmíru, ale aj samotného časopriestoru vo forme gravitačných vĺn. Po druhé, hovorí nám, že energia inflácie sa mala rozpadnúť na hmotu extrémne rýchlo, pretože ak by to trvalo dlho, vesmír by sa mohol ochladiť do bodu, po ktorom už nebude môcť vôbec produkovať PIDM.
Existencia týchto gravitačných vĺn môže byť potvrdená alebo vylúčená v budúcich štúdiách kozmického mikrovlnného pozadia. Je to mimoriadne vzrušujúca správa, pretože sa očakáva, že nedávny objav gravitačných vĺn povedie k opätovnému úsiliu o detekciu prvotných vĺn, ktoré majú korene v samotnom stvorení vesmíru.
Ako vysvetlila Sandora, toto všetko predstavuje pre vedcov jasný scenár obojstranne výhodný, pretože najnovší kandidát tmavej hmoty bude v blízkej budúcnosti objavený alebo vyvrátený.
"Náš scenár dáva pevnú predpoveď: uvidíme gravitačné vlny v ďalšej generácii experimentov s kozmickým mikrovlnným pozadím." To znamená, že je to prospešné pre všetkých: ak ich vidíme, je to skvelé a ak ich nevidíme, potom budeme vedieť, že temná hmota nie je PIDM, z čoho vyplýva, že by sa mala očakávať časť jej interakcie s bežnou hmotou. Ak sa to všetko stane v priebehu nasledujúcich desiatich rokov, môžeme len netrpezlivo čakať. ““
Odkedy Jacobus Kaptein prvýkrát navrhol existenciu temnej hmoty v roku 1922, vedci hľadali priame potvrdenie jej existencie. Jeden za druhým boli navrhovaní kandidáti medzi časticami - od gravitina po axie - boli skrínovaní a prešli do sféry večného hľadania. Pokiaľ je tento posledný kandidát jednoznačne popretý alebo potvrdený, táto možnosť už nie je zlá.
Ak sa to nakoniec potvrdí, vyriešime jednu z najväčších kozmologických záhad všetkých čias. Poďme o krok bližšie k pochopeniu vesmíru a k tomu, ako jeho záhadné sily vzájomne pôsobia.