Fale grawitacyjne mogły odegrać kluczową rolę w tworzeniu ciemnej materii w najwcześniejszych momentach istnienia wszechświata – wynika z nowego badania profesora Joachima Koppa z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji (JGU) i Klastra Doskonałości PRISMA++, we współpracy z dr Azadeh Maleknejad z Uniwersytetu w Swansea. Opublikowane w Physical Review Letters badanie przedstawia nowe obliczenia wskazujące na wcześniej niezbadany proces, w którym tak zwane stochastyczne fale grawitacyjne mogą dać początek ciemnej materii.

Praca ta dotyczy jednego z największych nierozwiązanych pytań fizyki cząstek. Wszystko, co widzimy, w tym planety, gwiazdy i życie na Ziemi, składa się z widzialnej materii, ale stanowi ona zaledwie około czterech procent wszechświata. Większość kosmosu pozostaje niewidoczna, składając się z ciemnej materii i ciemnej energii. Sama ciemna materia stanowi około 23 procent wszechświata.

Obserwacje pokazują, że ciemna materia jest rozproszona w przestrzeni, kształtując galaktyki i największe struktury kosmiczne. Pomimo jej ogromnego wpływu, naukowcy wciąż nie wiedzą, z czego składa się ciemna materia. Trwają liczne teorie i eksperymenty mające na celu odkrycie jej prawdziwej natury.

Fale grawitacyjne to zmarszczki w czasoprzestrzeni wytwarzane przez niektóre z najbardziej energetycznych wydarzeń we wszechświecie, takie jak zderzenia czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Jednak nie wszystkie fale grawitacyjne pochodzą z tak dramatycznych zdarzeń. Inny typ, znany jako stochastyczne fale grawitacyjne, powstaje w wyniku różnych procesów, które nie obejmują masywnych obiektów.

Fale te są znacznie słabsze i stanowią część tła wypełniającego wszechświat. Wiele z nich jest niezwykle starych, pochodzących z najwcześniejszych faz po Wielkim Wybuchu. Mogły zostać wygenerowane podczas kluczowych momentów w historii kosmosu, w tym przemian fazowych w miarę ochładzania się wszechświata lub z pierwotnych pól magnetycznych.

„W tym artykule badamy możliwość, że fale grawitacyjne – które, jak się uważa, były wszechobecne we wczesnym wszechświecie – zostały częściowo przekształcone w cząstki ciemnej materii” – wyjaśnił Kopp. „Prowadzi to do nowego mechanizmu produkcji ciemnej materii, który nie był wcześniej badany”.

Badanie sugeruje, że te wczesne fale grawitacyjne mogły wytworzyć fermiony, które początkowo miały niewielką masę lub nie miały jej wcale. Fermiony to szeroka klasa cząstek, do której należą znane przykłady, takie jak elektrony, protony i neutrony. Według naukowców te wczesne fermiony mogły później zyskać masę i przekształcić się w cząstki ciemnej materii, które istnieją dzisiaj.

„Następnym krokiem w rozwijaniu tej linii badań jest wyjście poza nasze analityczne szacunki i przeprowadzenie obliczeń numerycznych w celu poprawy dokładności naszych przewidywań. Inną ścieżką przyszłych badań jest zbadanie dalszych możliwych efektów fal grawitacyjnych we wczesnym wszechświecie. Przykładem może być mechanizm, który mógłby wyjaśnić dobrze znaną różnicę w liczbie cząstek i antycząstek” – powiedział Kopp.