Ciemna materia jest jednym z największych źródeł frustracji współczesnych fizyków. Jakby nie patrzeć, wszystko wskazuje na to, że we wszechświecie ciemnej materii jest znacznie więcej niż materii zwyczajnej, którą jesteśmy w stanie badać. Skoro jednak nie udało się dotąd w żaden sposób (poza grawitacją) zbadać, czy dotknąć ciemnej materii, to wciąż niewiele nowego możemy się o niej dowiedzieć. Tymczasem nowa teoria sugeruje, że ciemna materia może występować w postaci wielu cząstek i mas, podobnych do zwykłych pierwiastków w układzie okresowym.

Według nowych badań ciemna materia mogła powstać w ciągu pierwszych kilku minut po Wielkim Wybuchu. Cząsteczki te zostały następnie uwięzione w ultragęstych zagęszczeniach. Niektóre z nich zapadły się tworząc czarne dziury, które następnie wyparowały, tworząc deszcz wielu rodzajów cząstek ciemnej materii, tworząc swoisty „układ okresowy ciemnej materii” składający się z ciemnych pierwiastków.

Nie ma co ukrywać, naukowcy wciąż mają duże trudności z wyjaśnieniem ciemnej materii – tajemniczej, niewidzialnej formy materii, która stanowi zdecydowaną większość masy Wszechświata. Za jej istnieniem od dawna przemawiają dowody pośrednie, takie jak chociażby szybkość rotacji gwiazd w galaktykach, czy największe struktury widoczne we wszechświecie. Nie zmienia to jednak faktu, że nadal nie wiemy, czym ona tak naprawdę jest.

Dotychczasowe prace zakładały, że ciemna materia jest względnie prostym tworem. Miałaby się składać z pojedynczego rodzaju niezwykle lekkiej cząstki zalewającej wszechświat, która prawie nigdy nie wchodzi w interakcję z normalną materią. Jednak prowadzone od dawna intensywne poszukiwania nowych takich cząstek nie dały rezultatu. To skłoniło kosmologów do zastanowienia się, czy cząstki ciemnej materii mogą być znacznie rzadsze, ale także znacznie cięższe. Problem w tym, że fizycy teoretyczni mają trudności ze znalezieniem modeli, które doprowadziłyby do powstania we wczesnym Wszechświecie odpowiedniej liczby takich ciężkich cząstek.

W najnowszym artykule badawczym opublikowanym w październiku w bazie danych preprint arXiv zespół kosmologów znalazł sposób na wygenerowanie masywnych cząstek ciemnej materii wkrótce po Wielkim Wybuchu. Sztuka polegała na tym, żeby dodać do modelu czarne dziury.

W artykule zauważono, że wczesny Wszechświat przeszedł poważne zmiany fazowe, gdy siły natury oddzieliły się od siebie, przechodząc od jednej do czterech podstawowych sił natury. Przy każdym przejściu zmieniała się fizyka. Nie jest to tak szalone, jak się wydaje, ponieważ naukowcy potrafią odtworzyć ostatnie z tych przejść w akceleratorach cząstek: przy wystarczająco wysokich energiach, odtwarzając pierwsze kilka sekund Wielkiego Wybuchu, możemy obserwować łączenie się siły elektromagnetycznej i słabego oddziaływania jądrowego w jedno.

Autorzy opracowania odkryli, że ultraciężka ciemna materia mogła zostać uwięziona podczas jednego z przejść fazowych na początku Wszechświata. Jeśli przejście byłoby chaotyczne, spowodowałoby to powstawanie swoistych bąbli, w wyniku czego niektóre obszary wszechświata przeszły na nową fizykę, podczas gdy reszta jeszcze nie dokonała zmiany, dokładnie tak jak podczas wrzenia wody, gdzie faza gazowa wody uwięziona jest w bąbelkach otoczonych przez ciecz.

W ich modelu najwcześniejsza ciemna materia była lekka, ale ciemna materia z późniejszych okresów była ciężka. W tym scenariuszu ciemna materia zostaje uwięziona wewnątrz bąbli, gdzie gęstość gwałtownie rośnie do punktu, w którym cała ciemna materia zapada się i tworzy czarne dziury. Te czarne dziury wkrótce wyparowują poprzez promieniowanie Hawkinga – podczas którego promieniowanie powoli „wycieka” z czarnych dziur w postaci energii cieplnej – na długo przed pojawieniem się normalnej materii. Gdy czarne dziury wyparowują, ciemna materia powraca, ponieważ czarne dziury wypluwają nowe cząstki ciemnej materii, zanim znikną. Ten sprytny mechanizm ogranicza całkowitą ilość masywnej ciemnej materii we wszechświecie, ponieważ tylko określona ilość może uciec z czarnych dziur, zanim całkowicie wyparują.

W procesie parowania powstaje także mnóstwo rodzajów cząstek ciemnej materii. Chociaż wszystkie cząstki ciemnej materii mają wiele wspólnych cech (takich jak prawdopodobnie prawie całkowita niewidzialność), różnią się masami, prędkościami i sposobami interakcji z normalną materią. W tym modelu ciemna materia to ogromny zbiór różnych rodzajów cząstek, które podobnie jak normalna materia tworzą cały układ okresowy pierwiastków.

Dowody eksperymentalne potwierdzające tę tezę są jeszcze bardzo odległe, ponieważ jest to obecnie koncepcja głęboko hipotetyczna. Bezpośrednie wykrycie jednego lub większej liczby gatunków cząstek ciemnej materii z pewnością wzmocniłoby tę koncepcję. Astronomowie opracowują obecnie sposoby obserwacji fal grawitacyjnych z Wielkiego Wybuchu, co dałoby nam bezpośredni dostęp obserwacyjny do tej krytycznej epoki w historii wszechświata.