Nieuw kosmologisch model suggereert ultra-relativistische scheiding van donkere materie in het vroege universum

In januari 2026 werd in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters een wetenschappelijk werk gepubliceerd dat de bestaande kosmologische opvattingen over de vorming van donkere materie fundamenteel herziet. Onderzoekers van de Universiteit van Minnesota in de Twin Cities en de Universiteit Paris-Saclay presenteerden een model waarin donkere materie zich in een ultra-relativistische, oftewel 'gloeiend hete' toestand van het vroege universum zou kunnen hebben afgescheiden. Desondanks zou deze materie erin slagen om tijdig af te koelen tot de temperatuur die noodzakelijk is voor de uiteindelijke vorming van koude donkere materie.

Dit onderzoek plaatst grote vraagtekens bij het gevestigde postulaat dat donkere materie noodzakelijkerwijs koud moet zijn op het moment van haar 'bevriezing' tijdens de periode van post-inflationaire opwarming. Historisch gezien werd de noodzaak voor koude donkere materie ingegeven door het feit dat hete donkere materie, vergelijkbaar met neutrino's met een geringe massa, de vorming van grootschalige structuren in het heelal zou onderdrukken. Professor Keith Olive van de Universiteit van Minnesota heeft in het verleden herhaaldelijk gewezen op deze specifieke beperking, die direct verband houdt met de onderdrukking van de structurele evolutie van de kosmos.

De hoofdauteur van de studie, promovendus Steven Henrich van de School voor Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Minnesota, verduidelijkte dat hoewel donkere materie koud moet zijn voor de vorming van gravitationele structuren, dit nieuwe werk de eis weerlegt dat zij zich in een initiële koude fase moet bevinden op het moment van de oorspronkelijke afscheiding in het vroege universum. Het wetenschappelijke team analyseerde de mechanismen voor de productie van donkere materie tijdens de hoogenergetische fase na de inflatie. Zij toonden aan dat een ultra-relativistische scheiding voldoende tijd biedt voor de afkoeling van donkere materie voordat de vorming van kosmische structuren aanvangt, waarmee wordt voldaan aan alle huidige observationele randvoorwaarden.

Co-auteur Yann Mambrini, hoogleraar aan de Universiteit Paris-Saclay, benadrukte dat dit werk een venster opent naar een periode in de geschiedenis van het universum die extreem dicht bij de oerknal ligt, door de eigenschappen van donkere materie te koppelen aan de fysica van de kosmische opwarming. De theoretische berekeningen suggereren dat donkere materie met een massa van meer dan enkele duizenden elektronvolt voldoende afkoelt tot ongeveer één elektronvolt tegen de tijd dat de groei van kosmische structuren begint. Dit resultaat komt overeen met de strikte beperkingen die voortvloeien uit galactische surveys en metingen van de kosmische achtergrondstraling, wat de ruimte voor parameters in modellen voor donkere materie, zoals WIMP's en FIMP's, aanzienlijk vergroot.

Deze theoretische doorbraak, die werd ondersteund door het Horizon 2020-programma van de Europese Unie via een Marie Skłodowska-Curie-beurs, vereist nu verdere empirische bevestiging. De onderzoekers zijn van plan om toekomstige tests uit te voeren met behulp van deeltjesversnellers, ondergrondse experimenten naar deeltjesverstrooiing en astrofysische sondes om de hypothese van de ultra-relativistische scheiding te toetsen. Het onderzoek biedt een flexibeler perspectief op het vroege universum, waarbij de chaotische periode van opwarming een veel significantere rol speelt bij het bepalen van de uiteindelijke eigenschappen van donkere materie dan voorheen werd aangenomen.