Plats: University of Texas (UT) at Austin
Datum: 15 december 2024
En ny studie från University of Texas (UT) at Austin föreslår att mörk materia kan ha uppstått innan Big Bang. Detta är ett banbrytande perspektiv som ifrågasätter traditionella teorier om universums uppkomst.
Konventionellt sett anses Big Bang vara startpunkten för allt – materia, mörk materia, rymd, energi, alltihop. Efter Big Bang genomgick universum en period av kosmisk inflation, där dess storlek ökade med en faktor av 10 septillion inom en ofantlig bråkdel av en sekund.
Men vissa teorier föreslår att denna inflationperiod faktiskt inträffade innan det vi kallar Big Bang. Och nu har fysikerna vid UT Austin föreslagit att mörk materia bildades under denna korta period.
Det nya modellen kallas ”warm inflation via freeze-in” eller WIFI. Grundidén är att mörk materia-partiklar skapas från små interaktioner mellan strålning och partiklar i en varm ”termisk bad” under inflationperioden.
”Det som är unikt med vår modell är att mörk materia produceras framgångsrikt under inflationen,” säger Katherine Freese, en teoretisk astrofysiker vid UT Austin.
”I de flesta modeller blir allt som skapas under inflationen ’inflaterat bort’ av universums exponentiella expansion, till den punkt där det i princip inte finns något kvar.”
Det antas att före Big Bang existerade hela universum i en singularitet, en punkt av oändlig densitet där rumtid är oändligt krökt. Men de kända fysikaliska lagarna bryter samman där, så vissa fysiker föreslår att en annan epok föregick Big Bang istället för en singularitet.
Detta kan ha varit kollapsen av ett tidigare universum, som i Big Bounce-modellen – eller det kan ha varit kosmisk inflation. Denna fas varade bara nonilliondelar av en sekund, och energien överfördes till materia och ljus för att bli vad vi refererar till som Big Bang.
Från och med då är scenen satt för universum att utvecklas som beskrivs av den allmänna relativitetsteorin.
Författarna av den nya studien är inte de första att föreslå att kosmisk inflation föregick Big Bang. De är inte ens de första att föreslå att mörk materia uppstod under denna epok. Vad som är nytt är deras mekanism för hur det konstiga materialet produceras, i kvantiteter som stämmer överens med astronomiska observationer.
Varminflation (den ’WI’ i den nya WIFI-modellen) är en befintlig idé som föreslår att strålning produceras medan den exponentiella expansionen äger rum. Detta skapar en sorts termisk bad, vilket möjliggör små men viktiga interaktioner.
Mörk materia kan ha uppstått före Big Bang
En diagram som illustrerar hur interaktioner mellan inflatons (gröna) och strålning i det termiska badet (gula) producerar mörk materia (svarta punkter). (Gabriele Montefalcone)
Driven för kosmisk inflation är fortfarande okänd, men den ersättaren är ett fält av hypotetiska partiklar kallade inflatons, liknande den berömda Higgsbosonen. I det varma inflationsscenariot skulle detta inflatonfält förlora en del av sin energi till strålning i det termiska badet.
Från och med då producerar strålningen mörk materia-partiklar genom en process som kallas UV freeze-in (det finns ’FI’ i WIFI). Faktiskt når mörk materia aldrig jämvikt med badet, och temperaturen på badet stannar under en viss tröskel.
Enligt teamets beräkningar producerar denna mekanism tillräckligt med mörk materia för att förklara de kvantiteter som astronomiska observationer berättar oss finns därute.
Detta betyder inte att mysteriet är löst, förstås. Det är bara en hypotes av många, inklusive att mörk materia uppstod i sin egen ’Mörk Big Bang’ senare.
För närvarande kan WIFI-modellen inte direkt verifieras, men åtminstone en del av den kan snart kunna testas. Kommande studier av den kosmiska bakgrundsstrålningen, som CMB-S4, kan sätta idén om varminflation på prov.
”Om framtida observationer bekräftar att varminflation är det korrekta paradigmet, skulle det betydligt stärka fallet för mörk materia som produceras enligt vår ram,” säger UT-fysikern Gabriele Montefalcone, medförfattare till studien.
Forskningen publicerades i tidskriften Physical Review Letters.
Källa: Physical Review Letters
Taggar: Mörk materia, Big Bang, Kosmisk inflation, Fysik, Universum, Astrofysik, Vetenskaplig upptäckt
