Standardní model kosmologie nám říká, že pouze 4,9% vesmíru je složeno z obyčejné hmoty (tj. Toho, co můžeme vidět), zatímco zbytek se skládá z 26,8% temné hmoty a 68,3% temné energie. Jak jména napovídají, nemůžeme je vidět, takže jejich existence musela být odvozena na základě teoretických modelů, pozorování rozsáhlé struktury vesmíru a jeho zjevných gravitačních účinků na viditelnou hmotu.
Od doby, kdy byl poprvé navržen, neexistovaly žádné návrhy ohledně toho, jak vypadají částice Dark Matter. Není to tak dávno, kolik vědců navrhlo, že temná hmota sestává z slabě interagujících masivních částic (WIMP), které jsou asi 100krát větší než hmotnost protonu, ale interagují jako neutrina. Všechny pokusy o nalezení WIMP pomocí experimentů s kolektory byly však prázdné. Vědci proto v poslední době zkoumají myšlenku, že temná hmota může být složena z něčeho jiného.
Současné kosmologické modely mají tendenci předpokládat, že hmotnost temné hmoty je kolem 100 Gev (Giga-electrovolts), což odpovídá měřítku hmoty mnoha dalších částic, které interagují prostřednictvím slabé jaderné síly. Existence takové částice by byla v souladu s supersymetrickými rozšířeními standardního modelu fyziky částic. Dále se věří, že takové částice by byly produkovány v horkém, hustém, časném vesmíru s hmotovou hmotností, která zůstala konzistentní dodnes.
Probíhající experimentální úsilí o detekci WIMP však neprokázalo žádné konkrétní důkazy o těchto částicích. Patří sem hledání produktů ničení WIMP (tj. Gama paprsků, neutrin a kosmických paprsků) v blízkých galaxiích a klastrech, jakož i experimenty s přímou detekcí s použitím supercolliderů, jako je CERN Large Hadron Collider (LHC) ve Švýcarsku.
Z tohoto důvodu mnoho výzkumných týmů začalo uvažovat o tom, jak se podívat za paradigma WIMP a najít temnou hmotu. Jeden takový tým se skládá ze skupiny kosmologů z CERN a CP3-Origins v Dánsku, která nedávno vydala studii naznačující, že temná hmota může být mnohem těžší a mnohem méně interagující, než se dříve myslelo.
Jak Dr. McCullen Sandora, jeden z členů výzkumného týmu společnosti CP-3 Origins, řekl časopisu Space Magazine e-mailem:
"Zatím nemůžeme vyloučit scénář WIMP, ale s každým dalším rokem je stále více podezření, že jsme nic neviděli." Navíc obvyklá slabá fyzika trpí problémem hierarchie. To je důvod, proč jsou všechny částice, o kterých víme, tak lehké, zejména s ohledem na přirozené měřítko gravitace, Planckovu stupnici, což je asi 1019 GeV. Pokud by tedy byla temná hmota blíže k Planckově stupnici, nebyl by problém hierarchie zasažen, a to by také vysvětlovalo, proč jsme neviděli podpisy spojené s WIMP. “
S využitím nového modelu, který nazývají Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), tým zkoumal horní hranici hmoty temné hmoty. Zatímco WIMP umísťují temnou hmotu na horní hranici stupnice electroweak, dánský výzkumný tým Marthias Garny, McCullen Sandora a Martin S. Sloth navrhl částici s hmotou zcela blízkou jiné přirozené škále - Planckovu stupnici.
Na Planckově stupnici je jedna hmotnostní jednotka rovna 2,17645 × 10-8 kg - zhruba mikrogram, nebo 1019 krát větší než hmotnost protonu. Při této hmotnosti je každý PIDM v podstatě stejně těžký jako částice, než se stane miniaturní černou dírou. Tým také teoretizuje, že tyto částice PIDM interagují s obyčejnou hmotou pouze gravitací a že velké množství z nich se vytvořilo ve velmi raném vesmíru během „ohřívací“ epochy - období, ke kterému došlo na konci Inflační epochy, asi 10-36 t0 10-33 nebo 10-32 sekund po Velkém třesku.
Tato epocha je tak pojmenována, protože se během inflace věří, že kosmické teploty klesly asi o 100 000. Když inflace skončila, teploty se vrátily na předinflační teplotu (odhadem 1027 K). V tomto bodě se velká potenciální energie inflačního pole rozpadla na částice standardního modelu, které naplnily vesmír, což by zahrnovalo temnou hmotu.
Tato nová teorie přirozeně přichází s podílem na kosmologech. Například, aby tento model fungoval, musela by být teplota epochy zahřívání vyšší, než se v současné době předpokládá. Kromě toho by teplejší období opětovného ohřevu mělo také za následek vytvoření prvotních gravitačních vln, které by byly viditelné v kosmickém mikrovlnném pozadí (CMB).
"Mít tak vysokou teplotu nám říká dvě zajímavé věci o inflaci," říká Sandora. "Pokud se ukáže, že temná hmota je PIDM: první je, že inflace nastala při velmi vysoké energii, což zase znamená, že byla schopna produkovat nejen kolísání teploty raného vesmíru, ale také v samotném časoprostoru," ve formě gravitačních vln. Za druhé, říká nám, že energie inflace se musela rozpadat na hmotu velmi rychle, protože kdyby to trvalo příliš dlouho, vesmír by se ochladil do bodu, kdy by vůbec nebyl schopen produkovat žádné PIDM. ““
Existence těchto gravitačních vln by mohla být potvrzena nebo vyloučena budoucími studiemi zahrnujícími Cosmic Microwave Background (CMB). To je vzrušující zpráva, protože se očekává, že nedávný objev gravitačních vln povede k obnoveným pokusům o detekci pravěkých vln, které sahají až do samotného vytvoření vesmíru.
Jak vysvětlila Sandora, představuje to pro vědce scénář, z něhož budou mít prospěch všichni, protože to znamená, že tento nejnovější kandidát na Dark Matter se v blízké budoucnosti dokáže prokázat nebo vyvrátit.
„[O] ur scénář vytváří konkrétní předpověď: uvidíme gravitační vlny v příští generaci experimentů na pozadí kosmického mikrovlnného záření. Proto je to scénář bez ztráty: pokud je uvidíme, je to skvělé, a pokud je neuvidíme, budeme vědět, že temná hmota není PIDM, což znamená, že víme, že musí mít nějaké další interakce s obyčejnou hmotou. A to vše se stane během příštího desetiletí, což nám dává spoustu těšit se. “
Od chvíle, kdy Jacobus Kapteyn poprvé navrhl existenci Temné hmoty v roce 1922, vědci hledali nějaké přímé důkazy o její existenci. A jeden po druhém byly navrženy, zváženy a shledány žádoucími kandidátní částice - od gravitinos a MACHOS po axiony. Pokud nic jiného, je dobré vědět, že existence této poslední kandidátské částice může být v blízké budoucnosti prokázána nebo vyloučena.
A pokud se ukáže, že je správný, vyřešíme jedno z největších kosmologických tajemství všech dob! O krok blíž ke skutečnému pochopení vesmíru a jak jeho tajemné síly interagují. Teorie všeho, přicházíme (nebo ne)!
