Gdy stała się światłość, nadszedł czas na eksplozję mroku. Drugi Wielki Wybuch?

Astroficy zaczynają podejrzewać, że zamiast pojedynczego Wielkiego Wybuchu, który powołał Wszechświat do istnienia, jak się dziś przyjmuje 13,8 miliarda lat temu, mogło mieć miejsce drugie eksplozywne ze swej natury wydarzenie, wyjaśniające ogromną obfitość ciemnej materii, która wychodzi z obliczeń i pośrednich (bo bezpośrednich nie ma) obserwacji.

Jak podał kilka miesięcy temu magazyn „New Scientist”, najnowsze obserwacje wczesnych momentów naszego Wszechświata mogą pozwolić uzyskać nowy obraz owego enigmatycznego „ciemnego” Wielkiego Wybuchu i zarazem rozwiązać zagadkę nękającą astronomów od prawie pół wieku.

Ta zagadka to hipotetyczna forma materii, która w żaden sposób nie oddziałuje ze światłem ani promieniowaniem w innych elektromagnetycznych zakresach, co sprawia, że nie możemy dokonać jej bezpośredniej detekcji, a jak wynika z obliczeń, stanowi około 27 proc. masy znanego nam Wszechświata.

Na jej istnienie wskazuje grawitacja i wiele zjawisk obserwowanych w kosmosie. Na przykład astronomowie od dawna zmagają się z wyjaśnieniem ruchu galaktyk i ich gromad zachodzącego w sposób, którego znany nam Model Standardowy fizyki nie potrafi poprawnie i kompletnie opisać ani wyjaśnić. Aby matematyczne równania się zgadzały, musimy wprowadzać do rachunku elementy, a konkretnie materię, której nie widzimy.

Skąd się ta niewidoczna dla nas materia wzięła i to w dodatku w tak ogromnej ilości? Niektórzy badacze zastanawiają się, czy po gwałtownej ekspansji zwykłej materii nie doszło czasem do drugiego wielkiego wybuchu, z którego wyłoniła się ta egzotyczna substancja naszego Wszechświata.

„Ludzie zawsze zakładają, że wszystko powstało w tym samym czasie w jednym Wielkim Wybuchu, ale kto to tak naprawdę wie”, zauważa w rozmowie z „New Scientist” Katherine Freese, profesor fizyki na Uniwersytecie Teksańskim w Austin. W swojej pracy, która jeszcze czeka na recenzję, naukową, ona i jej koledzy z zespołu sugerują, że do „ciemnego Wielkiego Wybuchu” mogło dojść „gdy Wszechświat miał mniej niż miesiąc”.

Gorący Wielki Wybuch jest często uważany za źródło całej materii i promieniowania we Wszechświecie. Wczesny Wszechświat, według obowiązujących modeli, zawierał gorącą plazmę fotonową i barionową o energii większej niż skale megaelektronowoltowe. Najwcześniejsze wskazówki co do istnienia ciemnej materii pochodzą ze znacznie późniejszych czasów. Datuje się je na epokę formowania ze zwykłej materii struktur bardziej złożonych.

W swojej pracy naukowcy pod wodzą Katherine Freese opisują scenariusz, w którym ciemna materia (i być może ciemne promieniowanie) może powstać w trakcie fazy nukleosyntezy po Wielkim Wybuchu lub nieco później, w drugiej „eksplozji, który nazywają „ciemnym Wielkim Wybuchem”. Ten zachodzi na zasadzie przejścia fazowego w „ciemnym sektorze”, które przekształca ciemną energię próżni w gorącą ciemną plazmę cząstek. Autorzy twierdzą, iż obfitość ciemnej materii może być efektem swoistego kanibalizmu lub anihilacji par cząstek w ciemnym sektorze, po której następuje „zamrożenie termiczne”. Alternatywna hipoteza to ultraciężka ciemna materia określana obrazowo jako „dark-zilla” (przez analogię do gigantycznego filmowego potwora – „godzili”), czyli monstrualne cząstki o masie dziesięć bilionów razy większej niż masa pojedynczego protonu. Gdyby jednak to wydarzenie było raczej stopniowe, a nie gwałtowne, ciemny Wielki Wybuch wytworzyłby, zdaniem naukowców, lżejsze cząstki, „ciemnych kanibali”, które pochłaniałyby się nawzajem przy każdym zderzeniu. Cząstki te nie różnią się od wiodącej od szeregu lat kandydatury na ciemną materię, nazywanej „słabo oddziałującymi masywnymi cząstkami” (WIMP).

Jak piszą autorzy artykułu, ciemny Wielki Wybuch nie narusza ograniczeń wynikających z procesów formowania się struktur i kosmicznego tła mikrofalowego (CMB). Twierdzą, że daje początek dającym się wykrywać sygnaturom fal grawitacyjnych, co można przetestować w eksperymentach z wykorzystaniem cyklicznych w czasie pulsarów.

Freese ma teraz nadzieję, że badanie fal grawitacyjnych wyłaniających się z tła grawitacyjnego Wszechświata może rzucić więcej światła na jej teorię ciemnego Wielkiego Wybuchu. Jej praca jest częścią szerszej tendencji, jaka obserwowana jest od niedawna w społeczności astronomicznej. Naukowcy zastanawiają się, czy zamiast jednego wielkiego wydarzenia, które miałoby stworzyć nasz Wszechświat, lepiej byłoby mówić o sekwencji przemian fazowych, które zachodziły w pewnym czasie, stopniowo powołując do życia wszystko, co znamy, co widzimy lub nie widzimy, ale wiemy, że istnieje, od materii po ciemną materię.

Mierząc zakłócenia w sygnałach wysyłanych przez silnie magnetyczne gwiazdy neutronowe, zwane pulsarami, naukowcy próbują ustalić genezę fal grawitacyjnych w czasoprzestrzeni, mając nadzieję na wgląd w zjawiska zachodzące u zarania kosmicznej rzeczywistości, w jakiej przyszło nam żyć. Być może jest to ścieżka, którą dojdziemy do wyjaśnienia, czym jest owa enigmatyczna ciemna materia, z czego się składa i skąd się wzięła. A może to spo-sób dojścia do rozwiązań tkwiących jeszcze głębiej zagadek Wszechświata.

Mirosław Usidus