W najnowszym artykule naukowym opublikowanym w periodyku Physical Review Letters przez trzech naukowców z Teksasu możemy przeczytać, że ciemna materia tak naprawdę mogła powstać w fazie inflacji tuż przed Wielkim Wybuchem, w którym powstał nasz wszechświat. To jedno zdanie prowokuje olbrzymią liczbę pytań. Jakim cudem coś mogło powstać przed powstaniem wszechświata, w czym doszło do produkcji ciemnej materii i jak przetrwała ona do dzisiaj.
Autorzy opracowania postulują, iż ciemna materia powstała w interakcji materii ze swoistą termiczną kąpielą. Pozostaje jedynie pytanie, czy w tym nieskończenie krótkim czasie ciemna materia pozostawała w równowadze chemicznej ze swoim otoczeniem, czy też była poza równowagą.
Czytaj także: Wielki Wybuch to jedna z ostatnich rzeczy, które można podważyć. Dlaczego?
W scenariuszu mówiącym o wmrażaniu w ultrafiolecie temperatura kąpieli cieplnej pozostaje niższa od masy cząstek łączących ciemną materię z cząstkami należącymi do Modelu Standardowego. Ten scenariusz wiąże się z szerszą teorią inflacji, która opisuje okres wykładniczej ekspansji we wczesnych momentach istnienia wszechświata. Inflacja rozwiązała kilka kosmologicznych zagadek, takich jak problemy płaskości czy jednorodności oraz wyjaśniła pochodzenie struktur kosmicznych jako wzmocnionych fluktuacji kwantowych.
Pomimo powszechnej akceptacji, siła napędowa inflacji, czyli pole skalarne przenikające czasoprzestrzeń, wciąż pozostaje ulotne. Podczas inflacji wszechświat ulega przechłodzonej ekspansji, w której temperatura drastycznie spada. Po zakończeniu inflacji proces zwany ponownym nagrzewaniem przywraca temperaturę, a pole skalarne rozpada się na cząstki Modelu Standardowego, w tym fotony. Naukowcy zauważyli, że kąpiel termalna może osiągnąć wyższe temperatury niż faza ponownego nagrzewania, co jest krytyczne dla produkcji ciemnej materii poprzez wmrażanie w ultrafiolecie.
Jednak wcześniejsze badania w dużej mierze pomijały możliwość, że ciemna materia mogłaby powstać podczas samej inflacji bez rozcieńczania jej przez późniejszą ekspansję. Nowy model „WIFI” — Ciepła inflacja poprzez zamrażanie ultrafioletowe — rozwiązuje tę lukę. Zakłada on, że ciemna materia powstaje poprzez rzadkie interakcje w gorącym, energetycznym środowisku tuż przed Wielkim Wybuchem. Ten mechanizm oznacza, że ciemna materia pojawiła się znacznie wcześniej niż w konwencjonalnych scenariuszach.
Co ciekawe, wielu kosmologów uważa obecnie, że inflacja poprzedzała Wielki Wybuch, ponieważ koncepcja początkowej osobliwości o nieskończonej gęstości i krzywiźnie jest uważana za nierealistyczną. Zamiast tego wszechświat prawdopodobnie miał skończony rozmiar po inflacji, około 10^-26 m średnicy. Od tego punktu początkowego rozwinęły się standardowe procesy, takie jak produkcja cząstek i nukleosynteza, która z czasem wypełniła wszechświat.
Czytaj także: To prawie drugi wielki wybuch. Chińczycy zbadali najsilniejszy rozbłysk we wszechświecie
Model WIFI stanowi zatem zupełnie nowy pomysł na pochodzenie ciemnej materii, w którym rola inflacji jest znacznie większa, niż dotychczas przyjmowano. Autorzy opracowania wskazują na fakt, iż według tego scenariusza ciemna materia powstała w okresie inflacji nie zniknęła w okresie ekspansji wszechświata. Zamiast tego energia pola skalarnego została częściowo przekształcona w promieniowanie, które wytworzyło cząstki ciemnej materii poprzez mechanizm wmrażania.
Chociaż model ten jak na razie pozostaje niepotwierdzony, jego fundamentalne podstawy w „ciepłej inflacji” mogą wkrótce zostać przetestowana w nadchodzących eksperymentach z mikrofalowym promieniowaniem tła (CMB).
Poza ciemną materią model WIFI może również wyjaśniać powstawanie innych cząstek kluczowych dla wczesnej ewolucji wszechświata.