Štandardný model kozmológie nám hovorí, že iba 4,9% Vesmíru je zložených z obyčajnej hmoty (t. J. Toho, čo vidíme), zatiaľ čo zvyšok pozostáva z 26,8% tmavej hmoty a 68,3% tmavej energie. Ako naznačujú mená, nevidíme ich, takže ich existencia sa musela odvodiť na základe teoretických modelov, pozorovaní rozsiahlej štruktúry vesmíru a jeho zjavných gravitačných účinkov na viditeľnú hmotu.
Od svojho prvého návrhu neboli žiadne návrhy, ako vyzerajú častice tmavej hmoty. Nie je to tak dávno, čo mnohí vedci navrhli, že temná hmota pozostáva z slabo interagujúcich masívnych častíc (WIMP), ktoré sú asi 100-krát väčšie ako protóny, ale interagujú ako neutrína. Všetky pokusy o nájdenie WIMP pomocou experimentov s nárazníkmi sa však objavili prázdne. Vedci v poslednom čase skúmajú myšlienku, že temná hmota môže byť zložená z niečoho iného.
Súčasné kozmologické modely majú tendenciu predpokladať, že hmotnosť temnej hmoty je okolo 100 Gev (Giga-electrovolts), čo zodpovedá hmotnostnému rozsahu mnohých ďalších častíc, ktoré interagujú cez slabú jadrovú silu. Existencia takejto častice by bola v súlade s supersymetrickými rozšíreniami štandardného modelu fyziky častíc. Ďalej sa predpokladá, že takéto častice by sa vyrábali v horúcom, hustom, skorom vesmíre s hmotnosťou hmoty, ktorá zostala konzistentná dodnes.
Pokračujúce experimentálne úsilie na detekciu WIMP však neprinieslo žiadne konkrétne dôkazy o týchto časticiach. Zahŕňajú vyhľadávanie produktov zničenia WIMP (t. J. Lúče gama, neutrína a kozmického žiarenia) v blízkych galaxiách a zhlukoch, ako aj experimenty s priamou detekciou pomocou superkolidov, ako je CERN Large Hadron Collider (LHC) vo Švajčiarsku.
Z tohto dôvodu mnoho výskumných tímov začalo uvažovať nad tým, ako nájsť paradigmu WIMP a nájsť temnú hmotu. Jeden taký tím sa skladá zo skupiny kozmológov z CERN a CP3-Origins v Dánsku, ktorá nedávno vydala štúdiu naznačujúcu, že temná hmota by mohla byť oveľa ťažšia a oveľa menej interagujúca, ako sa predtým myslelo.
Ako Dr. McCullen Sandora, jeden z členov výskumného tímu spoločnosti CP-3 Origins, povedal časopisu Space Magazine e-mailom:
„Zatiaľ nemôžeme vylúčiť scenár WIMP, ale každým ďalším rokom je stále podozrenie, že sme nič nevideli. Okrem toho má obvyklá fyzika slabého rozsahu problém s hierarchiou. To je dôvod, prečo sú všetky častice, o ktorých vieme, také ľahké, najmä pokiaľ ide o prirodzený rozsah gravitácie, Planckovu mierku, ktorá je asi 1019 GeV. Takže, ak by temná hmota bola bližšie k Planckovej stupnici, nebol by to problém hierarchie postihnuté, a to by tiež vysvetľovalo, prečo sme nevideli podpisy spojené s WIMP. “
Použitím nového modelu, ktorý nazývajú Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), tím skúma hornú hranicu hmoty temnej hmoty. Zatiaľ čo WIMP umiestňujú hmotu tmavej hmoty na hornú hranicu elektroslabej stupnice, dánsky výskumný tím Marthias Garny, McCullen Sandora a Martin S. Sloth navrhol časticu s hmotnosťou úplne blízkou inej prírodnej mierke - Planckovej stupnici.
Na Planckovej stupnici je jedna jednotka hmotnosti rovná 2,17645 × 10-8 kg - zhruba mikrogram alebo 1019 krát väčšia ako hmotnosť protónu. Pri tejto hmotnosti je každý PIDM v podstate taký ťažký, ako môže byť častice skôr, ako sa stane miniatúrnou čiernou dierou. Tím tiež teoretizuje, že tieto častice PIDM interagujú s bežnou hmotou iba gravitáciou a že veľké množstvo z nich sa vytvorilo vo veľmi ranom vesmíre počas epochy „opätovného ohrevu“ - obdobia, ktoré sa vyskytlo na konci inflačnej epochy, približne 10-36 t0 10-33 alebo 10-32 sekúnd po Veľkom tresku.
Táto epocha sa volá pomenovanie, pretože počas inflácie sa predpokladá, že kozmické teploty klesli približne o 100 000. Po ukončení inflácie sa teploty vrátili na predinflačnú teplotu (odhadom 10)27 K). V tomto okamihu sa veľká potenciálna energia inflačného poľa rozpadla na častice štandardného modelu, ktoré vyplnili vesmír, čo by zahŕňalo Temnú hmotu.
Táto nová teória, samozrejme, má svoj podiel implikácií pre kozmológov. Napríklad, aby tento model fungoval, musela by byť teplota epochy zahrievania vyššia, ako sa v súčasnosti predpokladá. Horúce obdobie opätovného zahrievania by navyše viedlo aj k vytvoreniu prvotných gravitačných vĺn, ktoré by boli viditeľné v kozmickom mikrovlnnom pozadí (CMB).
„Mať tak vysokú teplotu nám hovorí o dvoch zaujímavých veciach týkajúcich sa inflácie,“ hovorí Sandora. „Ak sa ukáže, že temná hmota je PIDM: prvá je, že inflácia nastala pri veľmi vysokej energii, čo znamená, že bola schopná spôsobiť nielen kolísanie teploty raného vesmíru, ale aj za časopriestor, vo forme gravitačných vĺn. Po druhé, hovorí nám, že energia inflácie sa musí veľmi rýchlo rozpadať, pretože keby to trvalo príliš dlho, vesmír by sa ochladil do bodu, keď by vôbec nebol schopný produkovať žiadne PIDM. ““
Existencia týchto gravitačných vĺn mohla byť potvrdená alebo vylúčená budúcimi štúdiami zahŕňajúcimi Kozmické mikrovlnné pozadie (CMB). Toto je vzrušujúca správa, pretože sa očakáva, že nedávny objav gravitačných vĺn povedie k obnoveným pokusom odhaliť praveké vlny, ktoré siahajú až do samotného vytvorenia vesmíru.
Ako vysvetlila Sandora, pre vedcov to predstavuje obojstranne výhodný scenár, čo znamená, že tento najnovší kandidát na Dark Matter sa v blízkej budúcnosti dokáže dokázať alebo vyvrátiť.
„[O] ur scenár vytvára konkrétnu predpoveď: v ďalšej generácii experimentov s kozmickým mikrovlnným pozadím uvidíme gravitačné vlny. Preto je to scenár bez straty: ak ich uvidíme, je to skvelé a ak ich neuvidíme, budeme vedieť, že temná hmota nie je PIDM, čo znamená, že vieme, že musí mať nejaké ďalšie interakcie s bežnou hmotou. A to všetko sa stane v najbližšom desaťročí, čo nám dáva veľa, na čo sa môžeme tešiť. ““
Odkedy Jacobus Kapteyn prvýkrát navrhol existenciu Temnej hmoty v roku 1922, vedci hľadajú nejaké priame dôkazy o jej existencii. Jeden po druhom boli navrhnuté, zvážené a zistené, že sú žiaduce častice - od gravitínov a MACHOS až po axióny. Ak nič iné, je dobré vedieť, že existencia tejto najnovšej kandidátskej častice môže byť dokázaná alebo vylúčená v blízkej budúcnosti.
A ak sa preukáže, že je správny, vyriešime jedno z najväčších kozmologických tajomstiev všetkých čias! O krok bližšie k skutočnému pochopeniu vesmíru a tomu, ako interagujú jeho záhadné sily. Teória všetkého, prichádzame (alebo nie)!
